Дисертації (вільний доступ)

Постійне посилання зібрання

Переглянути

Нові надходження

Зараз показуємо 1 - 20 з 704
  • ДокументВідкритий доступ
    Моделі та програмні засоби управління вентиляційними установками НБК ЧАЕС з використанням машинного навчання
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Старовіт, Іван Сергійович; Гаврилко, Євген Володимирович; Круковський, Павло Григорович
    Старовіт І.С. Моделі та програмні засоби управління вентиляційними установками НБК ЧАЕС з використанням машинного навчання − Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 12 Інформаційні технології за спеціальністю 121 Інженерія програмного забезпечення. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Дисертаційна робота присвячена розробці науково-методичних підходів щодо оптимізації управління вентиляційними установками Нового Безпечного Конфайнменту (НБК) Чорнобильської атомної електростанції (ЧАЕС). Аварія на ЧАЕС, що сталась в 1986 році, та результатом якої був викид великої кількості радіоактивних речовин мала катастрофічні наслідки для навколишнього середовища. Сумарна маса ядерного палива, що була безпосередньо завантажена в реактор та зберігалась в межах обʼєкту, складала близько 200 тон. Значна частина паливного пилу була розсіяна за межами пошкодженого четвертого енергоблока у вигляді радіоактивних аерозолів (РА), спричиняючи радіоактивне забруднення територій, решта осіла в межах енергоблока та на поверхні споруд. У 1987-1988 роках, завдяки масштабним зусиллям, над аварійним 4-м реактором було зведено захисну конструкцію, відому як «Об’єкт Укриття» (ОУ). При побудові ОУ частково використовувались опори старих конструкцій (пошкоджені під час аварії), що збільшувало шанс виникнення руйнувань; загальна площа негерметичностей з часом доходила до 1000 м2, що призводило до викидів РА з об’єкту, а також збільшенню кількості води всередині забруднених приміщень за рахунок проникнення атмосферних опадів. Для вирішення описаних проблем, прийнято рішення про розробку Нового Безпечного Конфайнмент ОУ, який здано в експлуатацію в 2019 році. Основне призначення НБК – перешкоджання виходу радіоактивних речовин за його межі під час звичайної експлуатації та аварійних ситуацій, найбільш небезпечними з яких є вже згадані радіоактивні аерозолі. Саме за цю функцію відповідає система вентиляції НБК, що є однією з систем життєзабезпечення обʼєкту. Виконання даної функції – складний інженерний, та технологічний виклик, одним з напрямів рішення якого є створення спеціалізованих моделей та програм для вибору оптимального режиму управління вентиляційними установками (ВУ) НБК ЧАЕС, з врахуванням поточного стану обʼєкту, запланованих режимів роботи персоналу та параметрів оточуючого середовища. Врахування різноманітних умов експлуатації обʼєкту, а також забезпечення персоналу всією необхідною інформацією вимагає розроблення відповідної системи підтримки прийняття рішень (СППР) для оптимального управління ВУ. Питаннями моделювання гідравлічного стану НБК, а також розвитком методології перетворення його на екологічно безпечну конструкцію займались такі вчені як П.Г. Круковський, Д.І. Скляренко, Є.В. Дядюшко, Д.А. Смольченко, В.Г. Батій, А.О. Сізов, Л. І. Павловський, Д.В. Городецький, О.В. Балан, С.А. Паскевич та інші. Розроблені ними моделі та підходи носять більш теоретичний характер, є складними для інтеграції в процес експлуатації НБК та вимагають подальшого розроблення методів їх застосування. Наукові дослідження аспектів розроблення СППР привернули увагу провідних вчених, серед яких слід відзначити П. Бідюка, С. Субботіна, Г. Гнатієнко, Б. Герасимова, Ю. Зайченка, І. Богаєнка, M. Morton, P. Keen, P. Gray, H. Watson та інших. Незважаючи на те, що їхні дослідження охоплюють широкий спектр застосувань СППР в різних галузях, унікальність НБК та задачі які виникають під час експлуатації системи вентиляції вимагають розроблення та застосування новітніх підходів. Окреслене сформувало комплексне протиріччя: з одного боку, в ході експлуатації НБК виникає необхідність оцінки та прогнозування гідравлічного стану, мінімізації викидів радіоактивних речовин та використання електроенергії ВУ; з іншого боку, НБК є складною динамічною системою, де знаходження оптимальних режимів проведення робіт та ефективна робота підсистем залежать від різноманітних факторів, таких як зміни умов експлуатації та навколишньому середовищі, внутрішні процеси об’єкту (вимагає ретельного балансування між потребами в енергоефективності та безпекою, а також надійністю та адаптивністю систем управління). Відповідне протиріччя (поєднання теоретичних напрацювань з практичними потребами) може бути вирішене за допомогою розроблення і впровадження передових інформаційних та аналітичних технологій, включно з використанням прогнозуючих моделей, які здатні надати рекомендації щодо керування у відповідь на змінні умови, забезпечуючи тим самим підвищення ефективності та безпеки експлуатації НБК. Об’єктом дослідження є процес управління ВУ НБК. Предметом дослідження є моделі та програмне забезпечення для оптимального управління вентиляційними установками НБК. Метою роботи є мінімізація викидів РА та оптимізація витрат електроенергії шляхом підвищення ефективності управління ВУ НБК з використанням прогнозуючих моделей. Наукова новизна результатів дослідження полягає в наступному. Вперше, для Нового Безпечного Конфайнменту, розроблено архітектуру системи підтримки прийняття рішень щодо оптимального управління вентиляційними установками, що дозволяє в режимі реального часу отримувати інформацію щодо оптимальних витрат ВУ та проводити прогнозні розрахунки гідравлічного стану НБК. Вперше запропоновано алгоритм з використанням багатопоточності (паралелізм на рівні даних) для удосконалення алгоритмічно-програмних методів визначення тисків всередині НБК та площ неконтрольованих протічок на основі фізичної моделі, що дозволило пришвидшити розрахунки в 5 разів (паралельність 80%). Вперше розроблено спосіб використання моделей машинного навчання для оцінки гідравлічного стану НБК, який відрізняється від відомих тим, що використовує нейронні мережі для прогнозування перепадів тисків, що дозволило підвищити точність прогнозування тисків всередині НБК, а саме зменшити середню абсолютну похибку прогнозування на 30.5% (0.432 Па) для внутрішнього датчика та 34% (5.61 Па) для зовнішніх датчиків. Вперше розроблено алгоритмічно-програмний метод знаходження оптимальних витрат ВУ при змінних граничних умовах з використанням моделей на основі машинного навчання, який дозволив знизити витрати електроенергії в 2 рази (на 52%), а витоки радіоактивних аерозолей за межі НБК на 98% (з 4753 м3 до 122 м3). Вперше розроблено алгоритмічно-програмний метод оцінки очікуваних викидів радіоактивних аерозолей за межі НБК на підставі статистичних метеорологічних даних, що дозволило отримати розподіл викидів при різних режимах роботи вентиляційних установок. Використання розроблених моделей та програмних засобів дозволило підвищити ефективність, а також мінімізувати необхідний час для прийняття рішень щодо управління ВУ. Розроблений метод оптимізації витрат ВУ, протестований на експлуатаційній виборці показав можливість уникнення більшості викидів РА (близько 98%), з одночасним зменшенням витрат електроенергії в 2 рази (на 52%). Результати дослідження прийнято до впровадження в Державному спеціалізованому підприємстві «Чорнобильська АЕС» (№ 0700-148 від 29.06.2023); в Інституті технічної теплофізики НАН України (акт реалізації від 12.01.2024 р.); в навчальному процесі Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» (акт реалізації від 15.09.2023 р.) при викладанні дисципліни «Математичне моделювання та оптимізація процесів і систем». Наукові результати дослідження є внеском у розвиток теоретичних і прикладних основ управління вентиляційними установок динамічних систем підвищеної небезпеки, зокрема пов'язаних зі зберіганням ядерних відходів. В якості можливих напрямків продовження дослідження можна відмітити розроблення алгоритмів для врахування змінної концентрації РА в основному об’ємі, розроблення методів що враховують інерційність обʼєкту (вимагає проведення експериментальних тестів), розвиток методів прогнозування метереологічних даних для підвищення точності розрахунку викидів РА, а також інтеграцію з іншим програмним забезпеченням, наприклад, таким, що розраховує розповсюдження РА всередині НБК.
  • ДокументВідкритий доступ
    Технологічне забезпечення виготовлення індивідуальних деталей ендопротезів на базі адитивних технологій
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Бурбурська, Світлана Валеріївна; Пасічник, Віталій Анатолійович
    Бурбурська С.В. Технологічне забезпечення виготовлення індивідуальних деталей ендопротезів на базі адитивних технологій. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 13 – Механічна інженерія за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Дисертація присвячена дослідженню складу, причинно-наслідкові зв'язків та впливу параметрів технологічних операцій комп'ютерно-інтегрованої технології підготовки даних, проектування, технологічного підготовлення та виготовлення деталей індивідуальних ендопротезів та супутнього технологічного оснащення на часові та економічні показники. В дисертації вирішено науковопрактичні завдання: визначення складових комплексної комп’ютерноінтегрованої технології проектування і виготовлення кастомного ендопротезу та супутньої хірургічної технологічної оснастки; встановлено причинно-наслідкові зв'язки між ними та визначено їх параметри, що впливають на якість і продуктивність; запропоновано математичний опис такої технології з позицій системного підходу у виді, придатному для створення комп'ютерно-інтегрованої технології, що включає проектування та виготовлення індивідуальних деталей ендопротезу та хірургічної технологічної оснастки, яка забезпечує вирішення завдання максимуму продуктивності за умови гарантування якості ключових результатів - індивідуального ендопротезу та хірургічної технологічної оснастки; досліджено практичні особливості окремих етапів для окремих клінічних випадків, що потребують кастомного ендопротезування з точки інтеграції до загальної комп’ютерно- інтегрованої технології; здійснено широке практичне впровадження комп’ютерно-інтегрованої технології у практику технологічного підготовлення до операції індивідуального ендопротезування, підтверджено її результативність та ефективність. Зміст роботи складається з чотирьох розділів, у яких викладено та обґрунтовано основні результати дисертації. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження, описано методи дослідження, надана інформація про наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. У першому розділі проведено аналіз літературних джерел з дослідження існуючих проблем за напрямками. Зокрема визначено різновиди і можливості застосування ендопротезів, складові процесу ендопротезування, які станом на сьогодні застосовуються у вітчизняній та світовій хірургічній практиці. Проведено аналіз сучасних технології та матеріалів для пришвидшеного виготовлення індивідуальних ендопротезів та супутніх елементів. Показані можливості та переваги застосування сучасних адитивних технологій у виготовленні кастомних ендопротезів. Проведено систематизацію сучасного програмного забезпечення для комп’ютерної інтеграції процесів виготовлення індивідуальних імплантатів, а також можливості кожного для реалізації різних етапів створюваної комп’ютерно-інтегрованої технології проєктування і виготовлення пацієнт-специфічних ендопротезів та хірургічної технологічної оснастки. Розкриті техніко-економічні аспекти кастомного ендопротезування та перспективи ринку. У другому розділі наведено опис нової концепції технологічного забезпечення виготовлення індивідуальних деталей ендопротезів на базі адитивних технологій. Для основних етапів такої технології, яка включає Preprocessing, Processing, Post-processing, визначено їхній склад в контексті проектування і виготовлення індивідуальних ендопротезів та хірургічної технологічної оснастки, а також склад обладнання, необхідного для реалізації такої технології. Визначено, що: на етапі Preprocessing необхідним є комп'ютерний томограф, магнітно-резонансний томограф, комп'ютерна техніка зі спеціалізованим програмним забезпеченням для оброблення зображень; на етапі Processing необхідним є комп'ютерна техніка зі спеціалізованим програмним забезпеченням для проєктування та підготовлення моделей для різних типів адитивних технологіях FDM, SLA, SLM/EBM з супутнім обладнанням, відповідні адитивні машини, хірургічний інструментарій для резекції та установки; на етапі Post-processing необхідним є є комп'ютерна техніка зі спеціалізованим програмним забезпеченням, необхідне для забезпечення підготовлення керуючих програм верстатів з ЧПК для механічного оброблення та самих верстатів з відповідним інструментальними забезпеченням, обладнання для термічної обробки, обладнання для нанесення покриттів, обладнання для стерилізації та упаковки. В розділі наведено опис формування віртуальної і натурної моделі анатомічного об’єкту, який передбачає об'єднання моделей, отриманих за допомогою КТ та МРТ, а також їх наступну матеріалізацію за допомогою адитивної технології FDM у масштабі 1:1. Описано процес та особливості планування хірургічної операції з використанням натурних моделей анатомічних об’єктів, виготовлених з використанням адитивних технологій. Для етапу конструювання кастомного ендопротезу визначена його послідовність за зонами - робочою, первинної фіксації, вторинної фіксації-остеоінтеграції, допоміжної. Розглянуті регулярні та стохастичні структури, які можуть відтворюватись в пацієнт-специфічних імплантатах і суттєво розширити можливості інженерного забезпечення з точки зору зниження маси, покращення остеоінтеграції та підвищення ефективності адитивної технології. Визначено, що інженерна перевірка працездатності конструкції кастомного імплантату має включати визначення механічних характеристик виробу, оптимізацію конструкції, розміщення елементів первинної фіксації. Розглянуті та проаналізовані особливості вибору і застосування технологій на етапі виготовлення та при простобробленні, а також забезпечення їх якості шляхом технічного контролю. У третьому розділі представлено результати досліджень, спрямованих на формалізацію і математичний опис комп'ютерно-інтегрованої технології проєктування і виготовлення індивідуальних деталей ендопротезу та хірургічної технологічної оснастки. Тут основними складовими є модель такої технології, створена на базі системного підходу та математичний опис взаємозв'язків етапів такої технології з точки зору ймовірності досяжності запланованого результату. Зокрема, представлена нова модель комп'ютерно-інтегрованого процесу технологічного підготовлення і виготовлення індивідуальних ортопедичних імплантів, яка за допомогою нотації BPMN дозволяє математично описати різні аспекти виробничого процесу – від звернення замовника до відвантаження упакованого виробу. Виділені п’ять послідовних етапів: 1. Ініціювання розробки і отримання вхідних даних; 2. Реверс-інжиніринг і підготовка технічного завдання; 3. Проєктування; 4. Прототипування і виготовлення хірургічних навігаторів; 5. Виробництво кастомного імплантату. На кожному з цих етапів визначені ключові виконавці - Медичний заклад, Розробник (Лабораторія), Субпідрядник(и) виробництва. Узагальнено взаємодія ключових виконавців на кожному з етапів конструкторсько-технологічного підготовлення і виготовлення імплантатів. Визначені групи і підгрупи ресурсів, які мають забезпечувати реалізацію запропонованої технології. Обґрунтовано, що: до складу людських ресурсів мають входити медичні, проєктні, виробничі; до складу інформаційних ресурсів мають входити ті, що забезпечують розробку та виготовлення; до складу матеріальних ресурсів мають входити медичні, проєктні, виробничі. Для кожного виду визначено їх деталізований склад. В кожному з 5-ти етапів технології визначені ролі, які виконують певні задачі, а також взаємодіють між собою шляхом обміну даними та результатами прототипування і виготовлення. Це в сукупності для кожного етапу окремо і для всієї технології в цілому дозволило визначати перелік необхідних ресурсів, тривалість виконання, вартість використання ресурсів. Показано, що після того, як визначені основні ресурси, які безпосередньо впливають на час виготовлення кастомного імплантату від звернення пацієнта до доставки готового виробу і медичний заклад, може бути вирішена задача оптимізації процесу розробки, яка в якості цільової функції може визначити мінімізацію часу або мінімізацію вартості. Для вирішення задачі прогнозування тривалості набору робіт побудована Баєсова мережа комп'ютерно-інтегрованої технології проєктування та виготовлення індивідуальних ортопедичних імплантів та хірургічно технологічної оснастки, яка представляє собою орієнтований ациклічний граф = в якому кожній вершині відповідає випадкова змінна, а дуги графа кодують відношення умовної незалежності між цими змінними. Визначено етапи, події та причини, що впливають на ймовірність події, побудовано граф зв'язків між подіями, на основі практичного досвіду визначено ймовірності настання відповідних подій. У четвертому розділі наведені описи прикладів практичної реалізації комп'ютерно-інтегрованої технології проєктування та виготовлення пацієнтспецифічних імплантів та хірургічної технологічної оснастки. Зокрема подана інформація про 4-и практичні випадки практичного застосування системи інженерної підтримки при виготовленні індивідуальних імплантатів ацетабулярного компоненту на базі адитивних технологій. Наведені приклади передові інженерно-технічні рішення кастомного ендопротезування, реалізовані в широкому контексті можливостей, зокрема ті, що стосуються окремо ендопротезування зони кульшового суглобу, а також заміни діафізу кістки, кастомного ендопротезування колінного суглобу. Окрема увага приділена системі управління якістю, яка забезпечує реалізацію комп'ютерно-інтегрованої технології проєктування та виготовлення кастомних імплантів та хірургічної технологічної оснастки, реалізованої в ТОВ “Остеоніка” цілим набором робочих інструкції. Подано опис і приклади практичної реалізації системи забезпечення якості виготовлення кастомних ендопротезів. Визначено вимоги до основного документу - робочої інструкції, яка має містити: вимоги до вхідних даних; правила узгодження систем координат; вимоги до конструктивних елементів; обмеження та застереження; вимоги до контролю вихідних даних. Виділено основні показники якості імпланту: показники ергономічності; показники надійності; показники технологічності; показники безпеки. Визначено елементи, які можуть стати основою для подальшої автоматизації процесу контролю якості виробу. Результати дисертаційного дослідження широко впроваджені у практику хірургічного втручання у понад 300 випадків, інженерно-технологічне забезпечення яких виконано здобувачкою.
  • ДокументВідкритий доступ
    Формування інструментального середовища при магнітно абразивному обробленні в великих магнітних зазорах
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Заставський, Костянтин Олегович; Майборода, Віктор Станіславович
    Заставський К.О. Формування інструментального середовища при магнітно абразивному обробленні в великих магнітних зазорах. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 13 – Механічна інженерія за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. В дисертаційній роботі розроблено методики визначення сил, що діють на деталь з боку магнітного інструменту (МАІ), які дозволяють встановити особливості формування МАІ в процесі магнітно-абразивного оброблення (МАО). В перше встановлено реальну величину сил при МАО, а також визначено процеси та явища, що на них впливають з урахуванням зміни технологічних факторів, таких як індукція магнітного поля, швидкість рухів при обробленні, типу, форми та розміру частинок МАП та матеріалу деталі. Розроблено рекомендації щодо інтенсифікації процесу МАО з огляду на особливості формування МАІ та реальну величину сил. Експеримент виконували на установці для МАО виготовленій на базі вертикально фрезерного верстату типу ОЦ – Іжевськ, що забезпечує оброблення деталей у великому магнітному зазорі кільцевого типу. Зразками для проведення дослідження були циліндричні квадратні та трикутні призми висотою 30 мм і характерним розміром 8, 12 та 16 мм з феропара- та діамагнітних матеріалів, а також лопатка ГТД товщиною 1 мм та висотою 30 мм зі сплаву титану. Для вимірювання сил при МАО було використано методики вимірювання ефективного крутного моменту на валу двигуна, що обертає деталь, та вимірювання сили опору за допомогою тензодатчика. Розроблено відповідне обладнання, що дозволило виконувати дослідження з врахуванням необхідних факторів. Для формування МАІ використовували порошки: оскольчастий Полімам-Т з розміром зерен 200/100 мкм, 400/315 мкм, та округлий Полімам-М 200/100 мкм, 400/315 мкм. Для визначення інтенсивності оброблення було використано квадратні призматичні зразки висотою 5 мм та розміром сторони 8, 12 та 20 мм. Параметром інтенсивності у цьому дослідженні виступав радіус заокруглення кромок деталі, що вимірювався за допомогою профілометра. Встановлено, що ефективний момент тертя при обробленні феромагнітної деталі (при даних зразках та технологічних умовах) становить до 1,4 Нм, при обробленні немагнітних деталей – до 0,9 Нм. Показано, що ефективний момент тертя прямо залежить від величини магнітної індукції, швидкостей руху деталі в робочій зоні та навколо своєї осі. Встановлено області МАО при яких відбувається: формування квазістабільного МАІ (при швидкості обертання навколо власної осі 0 – 10 рад/с), область стійкого МАІ (10 – 65 рад/с) та область з аномальним ростом/падінням сил тертя (більше 65 рад/с). Показано, відмінності в характері взаємодії між МАП та деталлю при використанні порошків з округлої форми, що спричиняє переважно пластичне деформування поверхневого шару оброблюваної поверхні. Визначено, що сила опору при обробленні циліндричних деталей має лінійну залежність від величини магнітної індукції та становить 720 Н/Тл для порошку з зернистістю 200/100 мкм та 960 Н/Тл для 400/315 мкм. Показано, що сила опору при обробленні немагнітних матеріалів Д16Т, ВТ8, БрОц не має суттєвих відмінностей. Встановлено, що сили лобового опору при МАО феромагнітних зразків як і для немагнітних зразків не залежать від швидкості оброблення і змінюються в діапазоні від 160 до 220 Н, це в 1,2-1,5 разів вище, ніж для немагнітних деталей (80 – 180 Н). Роз’яснено відмінність сили опору при оброблені магнітних та немагнітних деталей за рахунок особливостей взаємодії структурних елементів МАІ з оброблюваними поверхнями та формуванням зон заклинювання порошку. Зростання зернистості порошку з 200/100 до 400/315 мкм спричиняє зростання сили опору в 1,2 – 1,3 рази. За результатами аналітичного представлення функцій зміни величин питомих сил тертя і сил лобового опору розраховано співвідношення між питомими силами тертя і опору –Fтер/Fоп = n – параметр коефіцієнту тертя при МАО. За характером зміни величини η встановлено, що зі збільшенням швидкості руху деталей навколо осі кільцевої ванни, переважно, має місце монотонне зменшення параметру коефіцієнту тертя. Зростання швидкості обертання деталей навколо власної осі призводить в досліджуваному діапазоні практично до пропорційного збільшення величини n. В перше визначено, що при обробленні парамагнітних деталей приріст сили опору зі зростанням діаметру не пропорційний зростанню діаметру (при збільшенні діаметра в 2 рази відбувається приріст сили опору в 1,5 рази), що пояснюється відмінностями характеру оброблення різними структурними елементами МАІ. Натомість, оброблення феромагнітних деталей характеризується пропорційним приростом сили опору від зростання розміру деталей. Підтверджено, що середовище МАІ можна віднести до типу бінгамівського через характер впливу швидкості на процес оброблення, особливо при малих значеннях магнітної індукції (0,2 – 0,22 Тл). Тобто МАІ має ознаки «квазірідкого» середовища при малих значеннях магнітної індукції (малій жорсткості) та «квазітвердого» - при великих значеннях індукції (більше 0,22 Тл). Визначено, що при оброблені малих діаметрів (8 мм), феромагнітні властивості матеріалу деталі створюють умови для псевдо розрідження магнітно-абразивного середовища, через яке значення сили опору при обробленні сталевого зразку нижче ніж при обробленні титанового на 10 – 20%. Натомість при обробленні деталей великого розміру сила опору сталевої деталі була на 10 – 30 % більшою ніж для титанової деталі через значний вплив магнітних властивостей деталі при її взаємодії з формоутвореннями МАІ. Встановлено, що співвідношення питомого опору, що має місце між деталями різної формами і МАІ (відносно площі безпосередньо оброблюваної поверхні) може бути описане коефіцієнтом форми деталі. Де найбільший коефіцієнт відповідає деталі з квадратним перерізом, а найменший – у вигляді циліндру. Визначено, що при обробленні феромагнітних деталей великого розміру (16 мм) присутнє явище розширення мертвої зони з МАП, яка формується на магнітних наконечниках, що суттєво (від 20 до 70 %) підвищує силу опору. Явище зумовлене магнітною взаємодією між деталлю та МАІ при безпосередній близькості полюсних наконечників до поверхонь деталі. Запропоновано схему взаємодії МАІ з феро- та парамагнітними деталями, що враховує напрямок переміщення МАП в робочій зоні зумовлений силами магнітного притягнення. Підтверджено, що при обробленні тонких деталей типу лопатки ГТД на великих швидкостях оброблення 3 – 3,5 м/с виникає явище розриву веретеноподібного утворення МАІ, що супроводжується різким (до 25%) зниженням сили опору (це явище є характерним тільки для відносно тонких деталей та відносно крупного порошку). Розглянуто явище періодичних коливань сили опору та вплив технологічних параметрів на величину цих коливань. Визначено, що періодичні коливання залежать від швидкості оброблення, тобто збільшенні швидкості оброблення з 1 до 3,5 м/с відбувається зменшення коливань з 40% до 15% відносно середнього значення сили опору. Визначено, що наближення оброблюваних поверхонь феромагнітних деталей до робочих поверхонь полюсних наконечників не тільки підвищує величину сили опору на 20 – 70 %, але й інтенсифікує процес різання на 20 – 30%. Це відбувається через взаємодію оброблюваних поверхонь деталі з ущільненими формуваннями МАІ (такі як «мертва» зона та конусоподібні формоутворення). З огляду на це було запропоновано враховувати наявність ущільнених зон МАІ при розробці технологічних процесів МАО. Робота дозволила вперше дослідити вплив реологічних властивостей МАІ в умовах великого магнітного зазору на процеси силової взаємодії, що відбуваються між МАІ і реальною деталлю при МАО з урахуванням характеристик оброблюваної деталі та магнітно-абразивних порошків. В ході роботи було експериментально підтверджено теоретичні припущення, щодо впливу характеристик МАІ та технологічних факторів на силову взаємодію деталі з МАІ при МАО у великих магнітних зазорах. Визначено зв'язок сил, що виникають між оброблюваною деталлю та МАІ та процесами видалення матеріалу при МАО. Результати роботи дозволили уточнити механізм формування МАІ і особливості його взаємодії з поверхнями деталей складної форми в умовах великих магнітних зазорів кільцевого типу, що зробило можливим розширення можливостей методу МАО і підвищення його ефективності і продуктивності.
  • ДокументВідкритий доступ
    Методи підвищення ефективності узгодженості даних в інформаційних системах
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Нікітін, Валерій Андрійович; Крилов, Євген Володимирович
    Нікітін В. А. Методи підвищення ефективності узгодженості даних в інформаційних системах. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 126 – Інформаційні системи та технології в галузі знань 12 – Інформаційні технології. – Національний Технічний Університет України «Київський Політехнічний Інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Дисертаційна робота присвячена розробці методів для розподілених документоорієнтованих баз даних, які дозволяють пришвидшити узгодження даних та покращити колізійну стійкість в процесі пошуку неузгоджених даних в різноманітних мережевих інформаційних системах, таких як, IoT, гетерогенні мультикомп’ютерні системи, аналітичні системи органів адміністративного управління, фінансові системи, дослідження екологічної безпеки та природокористування та інші. Також, було реалізовано спеціальне програмне забезпечення для проведення дослідів. В результаті виконання дисертаційної роботи було отримано такі результати. Розроблено метод забезпечення узгодженості даних у розподілених нереляційних документо-орієнтованих базах даних з використанням транзакційного годинника. Він отримує транзакції від клієнтських додатків та зберігає їх у відповідних чергах. Черги опрацьовуюються в залежності від пріоритету транзакції. При найвищому пріоритеті черга опрацьовується раніше, в порівнянні з тими, які мають нижчий пріоритет. Це дозволяє виділяти критично важливі дані (такі, як фінансові транзакції), які мають бути опрацьовані першочергово. При опрацюванні черги, транзакційний годинник об’єднує транзакції в результуючу транзакцію. Для цього він використовує час створення транзакції, що дозволяє глобально впорядковувати та об’єднувати їх в тому порядку, в якому вони були створені, а не отримані годинником. Після отримання результуючої транзакції, вона передається іншим реплікам, на яких відбувається запис. Слід зазначити, що при використанні транзакційного годинника, операції читання відбуваються напряму з реплік, що дозволяє зменшити навантаження на хостову машину. Удосконалено метод активної антиентропії з використанням спектрального фільтру Блума та алгоритму хешування замість дерева Меркла. Його створення обумовлено тим, що класичний механізм активної антиентропії використовує багато затратних операцій хешування. Також, при хешуванні великої кількості даних збільшується вірогідність колізій, яка може вплинути на вчасну ідентифікацію неузгодженості. Якщо таке буде відбуватися, то система може знаходитись у неузгодженому стані через те, що запуск процедури узгодження розпочнеться пізніше. Тому, для розподілених нереляційних документо-орієнтованих баз даних було вирішено використати протокол пліток, який полягає у децентралізованому способі взаємодії вузлів. Це забезпечує надійність, в порівнянні з централізованим підходом, оскільки виведення з ладу одного вузла не вплине на доступність системи. Проблема використання централізованого підходу полягає в тому, що виведення головного вузла з ладу вимагає певної затримки через використання консенсусного протоколу, який використовується для обрання нового головного вузла з існуючих реплік. Децентралізований підхід дозволяє інформаційній системі бути доступною для операцій запису, хоча це ускладнює підтримку узгодженості. Для пошуку неузгодженостей використовується певний знімок, який складається зі спектрального фільтру Блума та хеш-значення. Спеціально для розробленого методу активної антиентропії було модифіковано алгоритм формування спектрального фільтру Блума, який дозволяє пришвидшити ідентифікування неузгодженісті даних в методі активної антиентропії. Швидкість формування спектрального фільтру Блума було збільшено через використання алгоритму на основі простих чисел замість використання хеш-функцій. Результати дослідів показують, що розроблений алгоритм має вищу колізійну стійкість, ніж при використанні однієї хеш-функції та вищу швидкодію у порівнянні з використанням декількох функцій хешування. Також, спеціально для розробленого методу активної антиентропії було розроблено спосіб хешування, який стійкий до колізій. Його мета полягає у зменшенні кількості колізій при хешуванні даних, які відрізняються за розміром. Це є дуже важлим для активної антиентропії, оскільки дозволяє вчасно знайти неузгодженість. Реалізовано спеціальний сервіс транзакційного годинника із власним програмним інтерфейсом для можливості застосування в інформаційних системах розробленого методу забезпечення узгодженості з використанням транзакційного годинника з розподіленою базою даних MongoDB. Реалізовано спеціальний сервіс активної антиентропії із власним програмним інтерфейсом для використання в інформаційних системах розробленого методу активної антиентропії з розподіленою базою даних MongoDB. Реалізовано прототип фінансової інформаційної системи, в якій розподілена база даних складається з восьми вузлів. З її використанням були отримані результати дослідження розроблених методів забезпечення узгодженості даних. Програмний інтерфейс було реалізовано з використанням мови програмування Python3. Для створення тестового середовища використовувався Docker та docker-compose для оркестрації необхідними компонентами. Дисертаційна робота складається зі вступу, 3 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 49 найменувань та 6 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 165 сторінок, з яких 133 сторінки основного тексту, містить 76 рисунків та 5 таблиць.
  • ДокументВідкритий доступ
    Короткострокове прогнозування генерації фотоелектричних станцій для задач зменшення небалансів в енергосистемі
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Матушкін, Дмитро Сергійович; Босак, Алла Василівна
    Матушкін Д. С. Короткострокове прогнозування генерації фотоелектричних станцій для задач зменшення небалансів в енергосистемі. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 “Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка”, галузь знань 14 “Електрична інженерія”. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”, Київ, 2024. У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача, спрямована на підвищення балансової надійності електроенергетичної системи в контексті широкого застосування відновлюваних джерел енергії. Основу цієї роботи складало покращення точності короткострокового прогнозування генерації фотоелектричних станцій (ФЕС). Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та додатків. Основний текст викладено на 137 сторінках друкованого тексту, містить 52 рисунки, 24 таблиці та 4 додатки. В першому розділі дослідження розглянуто ключовий аспект української енергетики, а саме потенціал сонячної енергії, який відіграє важливу роль у відновлюваному енергетичному секторі. В цьому контексті проведено аналіз актуальних викликів, з якими стикається Україна під час інтеграції ФЕС та інших відновлюваних джерел енергії, з використанням міжнародного досвіду як важливої точки відліку. Особлива увага приділена системному підходу до трансформації енергетичної системи. В цьому розділі також розглянуті проблеми, пов’язані зі зношеністю традиційних джерел енергії, таких як атомні, вугільні та газові електростанції, які є основними постачальниками електроенергії в Україні та в інших країнах. Особливий акцент зроблено на їх високій емісії парникових газів, що сприяє зміні клімату та забрудненню повітря. Ця проблема створює необхідність пошуку більш екологічно чистих джерел енергії для зменшення негативного впливу на довкілля та адаптації до міжнародних екологічних стандартів. Крім того, висвітлено проблеми, пов’язані із обмеженим ресурсом життя та зношенням традиційних енергетичних установок, що можуть призвести до зниження їхньої ефективності та надійності, а також підвищити ризик аварій та виробничих простоїв. Додатково, розділ надає огляд сучасних тенденцій у впровадженні фотоелектричних станцій в Україні, наводячи динаміку приросту встановленої потужності ФЕС за останні роки. Особлива увага приділяється визначенню основних вимог та проблем у прогнозуванні генерації ФЕС, які становлять базу для подальших досліджень у галузі відновлюваної енергетики. В другому розділі аналізуються метеодані, що визначають функціонування ФЕС в розглянутому регіоні. Вихідні дані, які стосуються фотоелектричної генерації та метеоданих Київської області, були зібрані на основі вимірів, проведених на Димерській фотоелектричній станції. Загальна кількість даних складала понад 80 тисяч зразків з вимірів тривалістю 10 хвилин, отриманих в період від 1 січня 2020 року до 1 серпня 2021 року. Ця обсяжна база даних дозволила провести докладний аналіз умов роботи фотоелектричних панелей загальною потужністю 9 МВт, які можуть бути агреговані та представлені у параметричній формі. Розглянуто фактори, які впливають на прогнозування генерації електроенергії, і вказано на проблеми та похибки, які властиві сучасним методам прогнозування. Виділяється важливість адаптації моделей прогнозування до конкретних кліматичних умов і враховання особливостей місцевості, включаючи кут підйому Сонця та вплив природних факторів, таких як запиленість фотоелектричних панелей та опади. Детально аналізується кореляційні залежності між метеорологічними параметрами та вихідною потужністю Димерської ФЕС. Позитивна кореляція виявлена між вихідною потужністю і сонячним випромінюванням (0,92), температурою (0,62) та швидкістю вітру (0,46), що свідчить про їх важливість для прогнозування. Негативна залежність вихідної потужності відзначена з вологістю (-0,64), хмарністю (-0,23) та індексом погоди (-0,24), підкреслюючи негативний вплив похмурої та дощової погоди на вироблену потужність. Також відзначено нульову кореляцію вихідної потужності з такими параметрами як атмосферний тиск (-0,18) та напрямок вітру (-0,11), з підкресленням важливості розуміння нелінійних залежностей. Зазначається про періодичні коливання виробленої потужності, спричинені різними метеорологічними умовами та раптовими змінами протягом коротких періодів. Вказується на складність прогнозування генерації енергії через різкі зміни погоди. Проведено дослідження динаміки генерації та впливу метеорологічних факторів на роботу Димерської ФЕС. Проведені вимірювання вказують на важливість температури повітря для ефективності фотоелектричних панелей, а також на важливість вологості повітря та швидкості вітру. Температура фотоелектричної комірки впливає на напругу фотоелектричних панелей та, відповідно, на їх ефективність. При температурі +35 °C потужність панелі потужністю 270 Вт може зменшитись до 257 Вт, а при -20 °C збільшитись до 298 Вт. Зазначено, що аналогічно до температури, напруга панелі може залежати від інтенсивності світлового потоку. Фотоелектричні панелі перетворюють світлову енергію на електричну за допомогою фотоелектричного ефекту. Чим більше світла падає на панель, тим більше електричної енергії вона виробляє. Проте, є певна межа, до якої може зростати напруга при збільшенні освітленості. Це пов'язано з фізичними обмеженнями матеріалів, з яких виготовлені фотоелектричні панелі, та їхніми конструкційними особливостями. Коли освітленість стає дуже високою, ефективність перетворення світлової енергії може зменшуватись або взагалі зупинитись через насичення матеріалу чи інші фізичні причини. У третьому розділі подано аналітичний огляд методів та моделей прогнозування, в якому аналізуються підходи такі як фізичиний, статистичний, машинного навчання, гібридний та ансамблевий. Вибір найбільш відповідного методу залежить від конкретних потреб і наявних обчислювальних ресурсів. Важливими аспектами оцінки є вибір відповідних метрик для вимірювання точності, використання незалежних тестових наборів даних та стандартизація показників для спрощення порівнянь між різними методами та моделями. Важливо здійснювати порівняння з еталонними моделями для встановлення стандартів та стимулювання інновацій у сфері прогнозування сонячної активності, а також враховувати регіональні особливості. Метод “Бенчмаркінг прогнозів” розглядається як корисний інструмент, який допомагає уникнути суб’єктивності в оцінці прогнозів і сприяє об’єктивному вдосконаленню методів прогнозування. Крім того, бенчмаркінг допомагає встановити стандарти якості та стимулює розвиток галузі сонячної енергії. В розділі представлені результати розробки та вдосконалення моделей прогнозування генерації фотоелектричної енергії. Серед розглянутих моделей: модель експоненційного згладжування [82, 108, 109], модель сезонної інтегрованої авторегресії з рухомим середнім (SARIMA – Seasonal Autoregressive Integrated Moving Average) [23, 26, 76, 111], регресійні моделі [41, 77, 78, 121] та модель штучної нейронної мережі типу “Довга короткочасна пам’ять” (LSTM-RNN – Long Short-Term Memory-Recurrent Neural Network) [24, 93, 114- 117, 119]. Виявлено обмеження класичної моделі експоненційного згладжування у сонячному прогнозуванні та запропоновано оновлену версію цієї моделі, яка виявилася ефективнішою та точнішою в передбаченні генерації ФЕС з перервами у вимірюваннях. Однак, не абсолютно точною. Для врахування сезонності генерації розглядалася модель SARIMA. Також досліджено моделі регресії, включаючи лінійну регресію, регресію з регуляризацією та “Випадковий ліс”, які враховують вплив різних факторів, таких як сонячне випромінювання, температура та вологість, на генерацію ФЕС. Встановлено, що моделі, які працювали із 10-хвилинними і щоденними інтервалами, були досить точними, з коефіцієнтом детермінації більшим за 0,94 для кожного з них. Модель “Випадкового лісу” на 10-хвилинних інтервалах показала найкращі результати, в той час як лінійна регресія на щоденних інтервалах була найбільш ефективною. Розглянута глибока рекурентна нейронна мережа LSTM-RNN може працювати без великої кількості історичних даних про сонячне випромінювання. Модель LSTM-RNN показала конкурентоспроможні результати в порівнянні з іншими моделями, здатність прогнозувати нелінійні взаємозв’язки та демонструвати високу точність. Значення RMSE та MAE для найефективнішої моделі на рівні 5% та 3,94% відносно встановленої потужності Димерської ФЕС, відповідно, підкреслюють її потенціал як надійного і точного інструмента для прогнозування фотоелектричної енергії. В четвертому розділі аналізується вплив великого приросту сонячної енергії на балансову надійність енергосистеми. Нестабільність у роботі ФЕС може порушити баланс в енергосистемі та якість електропостачання, вимагаючи від виробників енергії постійно адаптуватися та використовувати точне прогнозування для забезпечення стабільності енергосистеми. Розкривається зміст поняття “небалансу” та розглядаються різні сценарії його можливого виникнення. Небаланс енергії в енергосистемі є вагомою проблемою, яка виникає, коли обсяги виробництва та споживання електроенергії не узгоджуються. Ця ситуація може призвести до критичних перешкод у функціонуванні електроенергетичної системи, таких як перевантаження або дефіцит електроенергії. Досвід інтеграції відновлюваних джерел енергії в електричні мережі підкреслює, що існуючі електромережі не готові до масштабного впровадження відновлюваних джерел енергії, що вимагає широкого спектру оптимізаційних задач. У цьому контексті також детально проаналізовані існуючі показники оцінювання балансової надійності енергосистеми, які, на жаль, не враховують вплив метеорологічних умов та не надають можливості оцінювати стабільність генерації ФЕС щодо графіка споживання електроенергії. Окрім цього, розділ присвячений оцінці похибок розроблених моделей, які використовуються для передбачення небалансу енергії. Для порівняння моделей використовувався метод “Бенчмаркінг прогнозів” [46, 95, 103] з використанням різних метрик, таких як RMSE, MAE, R2 . Виявлено, що ці похибки можуть бути значними та впливати на ефективність управління енергосистемою. Оцінка моделей вказує на те, що модель LSTM-RNN виявилася найточнішою з усіх розглянутих, показуючи високу точність результатів. Інші моделі, такі як SARIMA та Random Forest, також демонструють прийнятні результати, але LSTM-RNN видається найбільш ефективною. Оцінка небалансів, після отримання прогнозу генерації ФЕС на основі моделі LSTM-RNN, показала прийнятний рівень генерації з низькими відсотками відхилень “вгору” і “вниз”. Аналіз середніх відхилень прогнозних та фактичних значень генерації вказує на те, що розроблена модель має високу точність, а енергосистема стабільність в управлінні потужністю.
  • ДокументВідкритий доступ
    Особливості зовнішньої аеродинаміки і теплообміну димових труб у міській інфраструктурі та на майданчику ТЕС
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Чиркова, Анна Петрівна; Халатов, Артем Артемович
    Чиркова А.П. Особливості зовнішньої аеродинаміки і теплообміну димових труб у міській інфраструктурі та на майданчику ТЕС. – Кваліфікаційна наукова робота на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 105 Прикладна фізика та наноматеріали. Найменування вищого навчального закладу, в якому провадилася підготовка: НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ «КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО». Дисертаційна робота присвячена вивченню аеродинаміки та теплообміну димових труб ТЕС, розташованих у нескінченному просторі, у міській інфраструктурі та на промисловому майданчику ТЕС. В роботі отримані нові наукові результати, що характеризують фізичні особливості розподілу швидкості, температури, статичного тиску та коефіцієнта тепловіддачі на поверхні конічної труби за різних граничних умов. Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаної літератури до кожного розділу, додатку. Загальний обсяг дисертації становить 128 сторінок, включаючи 45 рисунків та 6 таблиць, загальна кількість використаних джерель становить 77 посилань. У вступі розглянуто основні проблеми енергетики України, повязані з експлуатацією димових труб ТЕЦ. Обґрунтовується актуальність теми дисертації, ставляться завдання для її досягнення. Обґрунтовано метод дослідження. Розглянуті нові наукові результати та їх практичне значення, зв'язок дисертації з програмою фундаментальних робіт НАН України, особистий внесок автора та апробація результатів дослідження. У першому розділі представлено короткий огляд сучасного стану проблеми експлуатації димових труб ТЕС. Розглянуто основні конструкції димових труб, проаналізовано основні проблеми їх експлуатації, пов'язані з випаданням хімічно агресивного конденсату, що призводить до деградації внутрішньої поверхні димових труб та порушення екологічно безпечних умов їх експлуатації. Детально розглянуто особливості аеродинаміки та теплообміну при поперечному обтіканні круглого нескінченного циліндра для докритичного, надкритичного та трансзвукового режимів обтікання. Проаналізовано вплив зовнішньої турбулентності та шорсткості поверхні на теплообмін і аеродинаміку при поперечному обтіканні труби. Наводиться рівняння для профілю швидкості набігаючого вітру для трьох типів інфраструктури навколишнього простору. Розглянуто особливості обтікання димової труби та окремих будівель на майданчиках АЕС та ТЕС за різного напрямку вітру. Сформульовано мету роботи, обґрунтовано основні завдання для дослідження, зроблено вибір методу дослідження. У другому розділі розглянуто методичні аспекти комп'ютерного моделювання аеродинаміки та теплообміну при зовнішньому обтіканні одиночної конічної труби, яка розташована на земній поверхні. Наводиться математичний опис проблеми, розглянуто геометричні моделі, які досліджені у роботі, аналізуються особливості завдання граничних умов. Розглянуті методи чисельного розв'язання системи диференціальних рівнянь руху та енергії, способи дискретизації рівнянь та методи розв'язання системи алгебраїчних рівнянь. На прикладі теплообміну при докритичному режимі обтікання круглого циліндра виконано верифікацію сіткової моделі та обґрунтовано модель турбулентності, що застосовується в роботі. У третьому розділі виконано комп'ютерне моделювання аеродинаміки та теплообміну на поверхні одиночної конічної димової труби, розташованої у нескінченному просторі, а також у міській інфраструктурі. Запропоновано геометричну та комп'ютерну моделі димової труби, розглянуто методичні аспекти чиселного моделювання та представлено програму досліджень. У розрахунках на поверхні труби задавалися граничні умови І роду, використана RNG k-e модель турбулентності. Максимальні значення тепловіддачі досягаються в середній частині труби, біля земної поверхні та у гирлі труби. Виявлено, що конусність труби практично не впливає на середню по всій висоті труби. Форма профілю швидкості вітру перед димовою трубою, яка визначається типом інфраструктури навколишнього простору, має значний вплив на розподіл локальної тепловіддачі по висоті труби. Зі зростанням середньої швидкості набігаючого потоку вітру середня по всій висоті труби тепловіддача зростає приблизно за лінійним законом. У четвертому розділі розглянуті аеродинаміка та теплообмін біля одиночної конічної димової труби, розташованої в умовах промислового майданчика ТЕС. Для виконання досліджень розроблено спрощену геометричну та комп'ютерну моделі майданчика ТЕС, які враховують основні елементи її інфраструктури. На поверхні труби задавалися граничні умови І роду, а в розрахунках використана RNG k-e модель турбулентності. На межах майданчика ставився профіль швидкості, який відповідає умовам міської забудови. Програма досліджень включає різний напрямок вітру та різні сезонні температурні умови, що притаманні для умов України. Показано, що інфраструктура майданчика ТЕС істотно впливає на умови обтікання димової труби та тепловіддачу. Показано, що періодична зміна швидкості, температури, тиску та теплообміну в кормовій частині труби має місце тільки вище даху машинного залу. Використання у розрахунках рівномірного профілю швидкості перед трубою може призводити до значних помилок у розрахунках локальной тепловіддачі. У приземній зоні труби та в області машинного залу тепловіддача може бути заниженою і завищеною порівняно з результатами розрахунку для рівномірного профілю швидкості, а вище даху машинного залу це рівняння показує завищені результати. Виконано порівняльний аналіз розподілу локальної тепловіддачі по висоті труби при різному напрямку вітру. В дисертаційній роботі отримано наступні наукові результати: Вперше: 1. Виявлено періодичний характер зміни швидкості, тиску, температури та коефіцієнта тепловіддачі в кормовій частині конічної димовоїтруби при її поперечному обтіканні для різних граничних умов. 2. Показано, що для труби у нескінченному просторі з рівномірним профілем швидкості вітру на вході конусність труби не впливає на середню по висоті труби тепловіддачу. Зі зростанням швидкості набігаючого потоку середній коефіцієнт тепловіддачі зростає практично лінійно – як при рівномірній, так і при змінній по висоті трубі швидкості потоку. 3. Показано, що інфраструктура міського простору та промислового майданчика ТЕС має істотний вплив на локальну тепловіддачу димової труби ТЕС, що зумовлено впливом шару біля земної поверхні на граничні умови, відривними та тривимірними течіями. 4. Виконано дослідження та отримано нові результати, що характеризують аеродинаміку та теплообмін біля зовнішньої поверхні димової труби за умов сумісного впливу інфраструктури міського простору та промислового майданчика ТЕС. Удосконалено: 5. Методичні рекомендації щодо комп'ютерного моделювання аеродинаміки та локального теплообміну на зовнішній поверхні одиночної конічної труби при її поперечному обтіканні в умовах міського простору та промислового майданчика ТЕС. 6. Методика розрахунку локального теплообміну на зовнішній поверхні конічної димової труби при сумісному впливі швидкості, температури та направлення потоку вітру з урахуванням інфраструктури міського простору та промислового майданчика ТЕС. Набуло подальшого розвитку: 7. Більш глибоке розуміння фізичного механізму процесів аеродинаміки та локального теплообміну при поперечному обтіканні одиночної конічної димової труби, розташованій в міській інфраструктурі та на майданчику ТЕС. 8. Розуміння, що умови експлуатації димової труби ТЕС (розташування, напрям вітру, інфраструктура навколишнього простору та промислового майданчика ТЕС) мають суттєвий вплив на аеродинаміку димової труби та повинні враховуватися при розрахунку зовнішнього теплообміну. Практичне значення результатів, представлених у дисертації: 1. Отримані в роботі результати формулюють більш точні та обґрунтовані рекомендації в частині графіка режиму роботи нових димових труб, а також димових труб, що знаходяться в експлуатації ТЕС, вони також можуть використовуватися для оцінки залишкового ресурсу димової труби з урахуванням деградації її внутрішнього стану у процесі експлуатації. Оримані результати використані у науковій роботі «Розроблення методів і засобів підвищення експлуатаційної надійності та екологічної ефективності димових труб теплоенергетичних установок» (договір № 1-102/02, тема № 1.7.1.890) в рамках Цільової програми наукових досліджень Відділення фізико-технічних проблем енергетики НАН України, реєстраційний № 0120U101123. 2. Отримані результати можуть бути використані для вдосконалення математичних моделей під час комп'ютерного моделювання зовнішньої аеродинаміки та теплообміну при поперечному обтіканні конічної димової труби за складних граничних умов.
  • ДокументВідкритий доступ
    Система управління, орієнтації та навігації автономних безпілотних підводних апаратів на основі мікроелектромеханічних технологій
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Гуриненко, Станіслав Олегович; Бурау, Надія Іванівна
    Гуриненко С.О. Система управління, орієнтації та навігації автономних безпілотних підводних апаратів на основі мікроелектромеханічних технологій – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 – Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології (15 – Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуального та важливого науково-практичного завдання вдосконалення систем управління, орієнтації та навігації із застосуванням мікроелектромеханічних технологій для автономного безпілотного підводного апарата класу Міні. У першому розділі дисертації наведено огляд та проаналізовано сучасний стан і тенденції розвитку безпілотних підводних апаратів. Проведено огляд загальних характеристик та розглянуто основні функціональні можливості та завдання, які можуть бути поставлені перед безпілотними підводними апаратами. Показано, що пріоритетним напрямком розвитку морської робототехніки є розвиток автономних безпілотних підводних апаратів. Наведено класифікацію автономних безпілотних підводних апаратів за конструктивною формою. Проаналізовано склад бортового навігаційного обладнання та обладнання, яке забезпечує керування апарата. На основі проведеного огляду розглянуто виконані роботи, які присвячені дослідженню систем орієнтації та навігації, а також проведено огляд робіт за системами управління автономних безпілотних підводних апаратів. На основі огляду та аналізу раніше виконаних робіт з’ясовано, що: напрямок морської робототехніки в області розробки автономних безпілотних підводних апаратів поступово розвивається; поступово модернізується бортове обладнання, тобто відомі пристрої морської підводної навігації оновлюються та переходять на нову елементну базу; досліджуються та розробляються алгоритмічні методи керування. Однак, практично відсутні комплексні роботи та дослідження, які описують поєднання конструктиву апарата та його вплив на керування; не наводяться роботи, які присвячені дослідженню автономних систем визначення просторового положення та місцезнаходження (орієнтації та навігації) із застосуванням мікроелектромеханічних систем та вибором цих систем. Виходячи із проведеного огляду виконаних робіт сформовано мету дослідження, яка полягає у вдосконалені систем орієнтації, навігації та управління автономних безпілотних підводних апаратів для забезпечення виконання багатоцільових завдань та розширення функціональних можливостей апаратів із застосуванням у цих системах МЕМС технологій. Для досягнення поставленої мети дослідження необхідно вирішити наступні завдання: провести огляд стану проблеми; провести чисельне моделювання конструкції апарата та аналіз гідродинамічних характеристик апарата, визначити коефіцієнти сили супротиву та підіймальної сили обраної конструкції апарата; обґрунтувати систему орієнтації та навігації автономного безпілотного підводного апарата, розробити імітаційні моделі датчиків, побудованих на МЕМС технологіях, імітаційну модель інерціальної навігаційної системи, встановити залежності параметрів орієнтації та навігації та їх похибок від напрямку руху; розробити та виконати імітаційне моделювання каналів керування автономного безпілотного підводного апарата за зануренням та за кутом курсу із урахуванням коефіцієнтів сили супротиву та конструктивних параметрів апарата; впровадити отримані результати. Другий розділ дисертаційного дослідження присвячено аналізу об’єкта керування та оцінці гідродинамічного конструктиву апарата. Розроблено конструкцію та створено тривимірні моделі безпілотного підводного апарату класу міні, проведено моделювання їх простого руху та визначено гідродинамічні характеристики моделей. На основі результатів дослідження простого прямолінійного руху обрано одну конструкцію апарата, для якої проведено моделювання складного руху за обраними траєкторіями: коло, розворот та півхвиля, визначено гідродинамічні характеристики моделі. Для обраної конструкції проведено гідродинамічний розрахунок із визначення гідродинамічних коефіцієнтів, геометричних та масогабаритних характеристик апарата, які у подальшому будуть враховуватися при моделюванні системи управління. Третій розділ дисертаційного роботи присвячено дослідженню систем орієнтації та навігації. Обґрунтовано використання безплатформної інерціальної навігаційної системи, та проаналізовано її склад. Розроблено імітаційні моделі чутливих елементів (акселерометра та гіроскопа) обраної системи, проведено їх моделювання з урахуванням характеристик реальних приладів. Встановлено, що похибки моделювання розроблених моделей становлять: для акселерометра від 33% до 50%, в залежності від чутливості прилада, у порівнянні із вихідним сигналом реального акселерометра; для гіроскопа – 16% у порівнянні із вихідним сигналом реального гіроскопа. Розроблено імітаційну модель безплатформної інерціальної навігаційної системи, яка враховує моделі сенсорів, та проведено чисельне моделювання роботи системи. Встановлено функціональні залежності параметрів орієнтації та навігації і їх похибок від напрямку руху автономного безпілотного підводного апарата класу міні на основі МЕМС технологій, аналіз яких свідчить про стабільність роботи системи протягом усередненого часу функціонування апарата. Четвертий розділ дисертації присвячено обгрунтуванню та дослідженню системи процесу управління апаратом із урахуванням параметрів об’єкта. На основі обраної системи управління розглянуто автономний безпілотний підводний апарат як об’єкт управління. Розроблено функціональну схему автоматичного управління. Розроблена схема враховує конструкцію та бортове обладнання апарата. Розглянуто систему рівнянь руху апарата, на основі якої виділено та досліджено канали керування рухом занурення та за кутом курсу. У середовищі Simulink розроблено імітаційні моделі автономного безпілотного підводного апарата та проведено чисельне моделювання. На основі отриманих результатів у розроблену імітаційну модель каналу керування за кутом курсу до якої було введено пропорційно-інтегрально-диференційний регулятор. За результатами проведених досліджень створено та обґрунтовано інформаційні моделі каналів керування зануренням та зміною кута курсу автономного безпілотного підводного апарата. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному: набув подальшого розвитку дослідницький підхід, що полягає у комплексному оцінюванні об’єкта та врахуванні його гідродинамічних характеристик і параметрів мікроелектромеханічних сенсорів при вдосконаленні системи орієнтації, навігації та керування автономного безпілотного підводного апарата; встановлено нові функціональні залежності параметрів орієнтації та навігації і їх похибок від напрямку руху автономного безпілотного підводного апарата класу міні на основі МЕМС технологій; створено та обґрунтовано інформаційні моделі каналів керування зануренням та зміною кута курсу автономного безпілотного підводного апарата, які враховують інформацію про геометричні та гідродинамічні характеристики об’єкта, задання потрібних значень параметрів руху та обчислення відповідних траєкторій, формування сигналів керування, інформацію про результати керування та значень відхилення глибини та кута курсу. Отримані результати під час дисертаційного дослідження мають практичне значення, яке полягає у застосуванні методів та підходів у вирішені задач пов’язаних із обґрунтуванням вибору конструкції апарата; застосуванні методики проведення комплексного дослідження апарата; застосуванні імітаційних моделей чутливих елементів (акселерометра та гіроскопа) інерціальної навігаційної системи, які враховують параметри та характеристики реальних датчиків; застосуванні імітаційної моделі безплатформної інерціальної навігаційної системи, яка враховує моделі чутливих елементів та їх характеристики; застосуванні імітаційних моделей каналів управління автономного безпілотного підводного апарата, які враховують конструкційні та масо-габаритні характеристики апарата. Результати дисертаційних досліджень мають практичне впровадження.
  • ДокументВідкритий доступ
    Керування за прогнозною моделлю у лінійних дискретних системах
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Міщенко, Михайло Дмитрович; Губарев, Вячеслав Федорович
    Міщенко М. Д. Керування за прогнозною моделлю у лінійних дискретних системах. — Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 01.05.04 «Системний аналіз і теорія оптимальних рішень» (124 — Системний аналіз). — Національного технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», 2024. Метою дисертаційного дослідження є реалізація термінального керування, яке б виконувало завдання стабілізації. Існує широкий спектр як технічних, так й інших різновидів систем, які можуть бути достатньо точно змодельовані як лінійні системи, що функціонують у дискретному часі (ЛСДЧ). Ця математична модель часто застосовується в інженерії, але також може бути використана в багатьох інших сферах. Завдання стабілізації систем такого типу є досить поширеним. Для стабілізації ЛСДЧ традиційно застосовують методи, розроблені на основі теорії керування, математичний апарат якої тривалий час був невід’ємним у розв’язанні цього завдання. Хоча важливість зазначеного підходу важко переоцінити, тривала історія досліджень у цьому напрямі показала деякі недоліки, які можуть у різні способи заважати ефективній стабілізації. Зокрема, якщо йдеться про керування недетерміністичними системами, математичний апарат теорії керування примушує підлаштовувати алгоритми під деякі наперед задані припущення про статистичні властивості збурень, що діють на систему. Він також не дозволяє включити обмеження на величини сигналів керування в модель системи. Через це інженери змушені вручну підлаштовувати параметри контролера в кожному випадку окремо, аби задовольнити ці обмеження. Дослідження присвячено розробленню альтернативних алгоритмів стабілізації ЛСДЧ на основі підходу керування за прогнозною моделлю (КПМ). Він полягає в генеруванні сигналів керування шляхом вибору тієї послідовності сигналів, яка відповідає найкращому (за певним критерієм) прогнозу траєкторії стану системи на обмеженому горизонті. На практиці це здійснюється за допомогою розв’язання завдання оптимізації, цільова функція якого залежить від прогнозованого майбутнього стану. Застосування методів оптимізації замість математичного апарату на основі перетворення Лорана дозволяє уникнути потреби ручного доналагодження алгоритму. Це також дозволяє генерувати швидкі стабілізаційні траєкторії за рахунок використання еволюційного рівняння для ЛСДЧ як предиктора майбутнього стану у складі цільової функції, а обмежень на керування — як обмежень завдання оптимізації. У результаті дослідження отримано новий клас методів, здатних до термінального стабілізаційного керування. Інакше кажучи, вони здатні приводити стан лінійної системи до нуля (або в разі наявності збурень — до його околу) за скінченний час й утримувати його там надалі. Вони можуть стабілізувати не тільки строго стійкі системами, а й напівстійкі та нестійкі, зокрема й в умовах наявності випадкових збурень та з урахуванням обмеженості ресурсу керування. Ці методи можна застосовувати для керування як технічними, так і будь-якими іншими системами, які описуються у формі ЛСДЧ. Однак цей підхід потребує дещо більшої кількості обчислень. Для ефективного застосування наявного ресурсу керування (заданого у формі обмежень на сигнали керування) здебільшого необхідна велика довжина горизонту прогнозування, що призводить до зростання необхідної кількості обчислювальних ресурсів. Попри це, завдяки суттєвому прогресові в обчислювальній потужності комп’ютерів з появою теорії керування стало можливим практичне застосування таких алгоритмів. Водночас обмеження в обчислювальних ресурсах все ще існують і можуть виявитися критичними. Тому на практиці оптимізувати наслідки майбутньої послідовності керувань можливо лише на горизонтах обмеженої довжини. Внаслідок цього неабияк важливо розуміти, як таке обмеження впливає на якість керування. Для візуалізації динаміки стабілізації систем у роботі запропоновано застосовувати теплові карти індексів, які характеризують цей процес. На таких теплових картах зображається залежність цих індексів від початкового стану системи. Таке представлення дозволяє наочно побачити, як на динаміку впливають обмеження горизонту прогнозування і, власне, структура самої системи. Такі теплові карти було побудовано для кількох визначних прикладів систем із різними структурами шляхом виконання відповідних обчислювальних експериментів. Результати цих експериментів показують, що втрати від обмеження довжини горизонту прогнозування варіюються від значних до повної їх відсутності залежно від структури системи та обраного для представлення системи базису простору станів. Ці втрати зменшуються, якщо збільшити межу довжини прогнозного горизонту. Проста цільова функція, що мінімізує норму майбутнього стану, дає найкращі результати для таких систем, чия матриця залежності наступного стану від попереднього є діагоналізовна над полем комплексних чисел і подана в дійсній Жордановій формі. В іншому разі результати сильно погіршуються. У зв’язку із цим у роботі зроблено висновок, що динаміка стабілізації суттєво залежить від структури системи та обраного базису простору станів. Вдале представлення системи може в частині випадків компенсувати обмеження на довжину горизонту прогнозування. Проте загалом це потребує особливим способом сконструйованої цільової функції. Для деяких систем в умовах обмеженості горизонту прогнозування особлива її конструкція стає критично необхідною, аби цей алгоритм належно працював. Як виявилося, задати цільову функцію з достатньо добрими властивостями є нетривіальним завданням. У цій роботі застосовано сучасний нестандартний аналіз для конструювання вдалої цільової функції на основі структури ЛСДЧ. Під час цього дослідження з’ясувалося, що застосування принципу КПМ до стабілізації недетерміністичної ЛСДЧ потребує значної уваги стосовно того, як саме застосовуються до неї згенеровані керування. Виявилося, що некоректна схема застосування керувань призводить до безлічі неочевидних і небажаних ефектів. У цій роботі було почергово обговорено, пояснено й на прикладах продемонстровано вищезазначені ефекти. Аналіз їхніх причин дозволив виявити вимоги до алгоритму керування за прогнозною моделлю, виконання яких забезпечить надійність його роботи. Також з’ясувалося, що здебільшого оптимальна стабілізаційна траєкторія не є унікальною, тобто, можливо обирати між оптимальними траєкторіями заради покращення якогось другорядного показника. До того ж, як приклад, який є цінним сам собою, у роботі окремо розглянуто стабілізацію імпульсів у лінійних когнітивних картах. Будучи прикладами лінійних систем у дискретному часі, лінійні когнітивні карти допускають застосування щодо їх імпульсів тих самих стратегій та алгоритмів керування. Але якщо опустити природу когнітивних карт, їхній стан починає поступово змінюватися в непередбачуваному напрямку під тиском зовнішніх випадкових збурень (шуму) попри те, що стабілізуючий контролер придушує їх вплив на імпульси когнітивної карти. Здатність підходу керування за прогнозною моделлю враховувати другорядні цілі дозволила усунути цей ефект принаймні частково шляхом цілеспрямованої стабілізації когнітивної карти біля деякого наперед обраного стану. Також у роботі продемонстровано, що з усього простору станів когнітивної карти лише деяка гіперплощина в ній є досяжною одночасно зі стабілізацією імпульсів. Розроблений метод призначений для керування системою, стан якої повністю вимірюваний. Проте керування системою, стан якої не є спостережним безпосередньо, є поширеним завданням. Натомість зазвичай наявні непрямі, неповні та зашумлені вимірювання стану. У таких випадках фільтр Калмана є загальноприйнятим і класичним підходом до оцінки стану лінійних систем за непрямими вимірюваннями. Він рекурсивний і тому опосередковано враховує всю історію вимірювань. У роботі досліджено альтернативний підхід: виконувати оцінку на основі вимірювань на обмеженому історичному горизонті. Тож спочатку обговорюється застосування узагальненого методу найменших квадратів (УМНК) щодо цього завдання, а також умови, за яких доцільно застосовувати цей метод. Для випадків, коли він не підходить, у роботі запропоновано спосіб представлення оцінювача за УМНК як завдання квадратичного програмування на конусі, що дає змогу створювати його модифікації, підлаштовані під різноманітні нестандартні конструкції лінійних систем. У роботі також досліджено різні властивості й поведінку оцінювача, побудованого за УМНК та модифікаціями цього методу. Зокрема, цілком очікуваним є те, що оцінювачі демонструють різну точність за різної кількості використаних вимірювань. Тому було досліджено застосування абсолютного числа обумовленості оцінювача на базі УМНК до вибору оптимальної довжини горизонту. Також продемонстровано, як абсолютне число обумовленості, будучи жорстким обмеженням точності оцінювання, обмежує й математичне сподівання норми помилки. Вибір найкращої довжини горизонту було описано з обох цих поглядів. Для ситуацій, коли найкраща можлива точність оцінювання все ще не є достатньою, у роботі запропоновано метод регуляризації. Досліджено його переваги та недоліки, а також те, як робити поінформований вибір стосовно ступеня регуляризації. Теоретичні результати щодо оцінювачів перевірено шляхом обчислювальних експериментів.
  • ДокументВідкритий доступ
    Метод оцінки ризику на основі аналізу структури зв’язків загроз та вразливостей у кіберсистемах
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Полуциганова, Вікторія Ігорівна; Смирнов, Сергій Анатолійович
    Полуциганова В. І. Метод оцінки ризику на основі аналізу структури зв’язків загроз та вразливостей у кіберсистемах. – Кваліфікаційна праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 12 – Інформаційні технології за спеціальністю 125 – Кібербезпека та захист інформації. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Методи оцінки ризиків є одним з ключових механізмів аналізу ефективності та рівня безпечності функціонування кібернетичних систем і визначення напрямків їх подальшого розвитку, що обумовлено складною структурою таких об’єктів. Зважаючи на те, що сьогодні майже в усіх сферах життя застосовуються інформаційні технології, методи оцінювання ризиків набувають все більшого значення для виявлення уразливостей інформаційних систем та потенційних загроз для їх безпечного функціонування. Результати відповідного аналізу дозволяють формувати та проводити комплекс заходів, які підвищують рівень безпеки системи та захищають її від зовнішніх та внутрішніх загроз. Дисертаційну роботу присвячено розробці методу оцінювання ризиків кіберсистем на основі взаємозалежності між уразливостями та загрозами, а також складної структури цих зв’язків. Порівняльний аналіз сучасних підходів та методів оцінювання ризику засвідчив, що ними не в повній мірі враховується така специфіка структури інформаційної системи, як її складність, що відображається на точності проведених на основі цих методів розрахунків. За результатами дослідження зв’язків між виявленими загрозами та уразливостями, які притаманні сучасним кіберсистемам, установлено, що зв’язки між ними можуть мати небінарний характер, а також впливають на обсяг втрат внаслідок різного рівня сумісності як між уразливостями системи, так і між окремими подіями при реалізації атак (несанкціонованого доступу до системи). Виявлені недоліки сучасних підходів, що застосовуються для аналізу ризику у кіберсистемах, були скореговані під час розроблення узагальненого методу оцінки ризиків для систем складної структури. Методи аналізу вразливостей та загроз безпеки кіберсистем, аналізу структури складних кіберсистем, оцінювання ризику, а також сучасний стан вивчення проблем, які досліджуються в дисертації, висвітлено в роботах таких вчених як Архіпов О.Є., Аткін Р. Х., Грайворонський М. В., Джонсон Д. Х., Касті Д. Л., Качинський А. Б., Ланде Д. В., Мохор В. В., Новіков О. М. та інших науковців. Проведено огляд та здійснено порівняльний аналіз основних підходів та методів, на яких базується структурний аналіз системи загроз і вразливостей і які покладено в основу дисертаційного дослідження, а саме наступних напрямів: Q­аналіз, топологія, геометрія і аналіз симплеціальних комплексів. Здійснено опис основних етапів життєвого циклу вразливостей у кіберсистемі. Розглянуто основні методи оцінювання ризику на основі підходів А. Вальда та Т. Байєса. Проведено систематизацію підходів до виявлення та аналізу основних метрик для опису структури системи уразливостей та загроз у кіберсистемі. Установлено, що основними поняттями та ефективними моделями, які у повній мірі характеризують структуру складних систем, а також використовуються для розв’язання задач аналізу та синтезу системи, однозначного визначення процедури при проведенні оцінювання ризиків, являються локальні карти, структурне дерево та структурний граф симплеціального комплексу. Здійснено структурний аналіз системи вразливостей та запропоновано класифікацію вразливостей, що дозволяє суттєво вплинути на формування комплексу превентивних заходів щодо попередження та подолання несприятливих наслідків реалізації загроз. Для опису властивостей та джерел виникнення вразливостей використовувалась база даних широко відомих уразливостей інформаційної безпеки CVE. У ході дисертаційного дослідження було розроблено загальні алгоритми переходу від довільної матриці інцидентності до симплеціального комплексу з подальшим визначенням структурного дерева та локальних карт. Запропоновано алгоритм прямого переходу від матриці інцидентності безпосередньо до структурного дерева та локальних карт у випадку, коли відсутня необхідність побудови симплеціального комплексу. Розроблено алгоритм відновлення симплеціального комплексу із застосуванням інформації з локальних карт та структурного дерева. Розроблений метод дозволяє здійснити формалізований перехід від характеристик топології симплеціального комплексу до відповідних графів та навпаки. Запропонований алгоритм дозволяє більш точно визначити структуру складної системи та здійснити її всебічний детальний аналіз. Цей метод відображає зв’язки між класичним Q­аналізом та доданими структурними характеристиками, а також синтезом симплеціального комплексу на основі відомих структурних характеристик. У ході дослідження проводились уточнення оцінок ймовірностей інцидентів та відповідних втрат. Класична байєсова формула розрахунку середніх втрат дозволяє врахувати сумісність та залежність несприятливих подій, але, при цьому зазвичай оцінка ймовірностей реалізації загроз виконується для ситуації окремих несумісних подій. У реальності можуть відбуватися сумісні реалізації вразливостей/загроз, що ускладнює оцінки ймовірності внаслідок виникнення сумісних та умовних ймовірностей. У випадку, коли вразливості інформаційної системи є незалежними, загальні збитки від їх сумісної реалізації розраховуються як сума збитків від окремих інцидентів. Але, у разі сумісної реалізації залежних уразливостей системи, загальна сума окремих втрат корегується (збільшується або зменшується) у залежності від характеру та специфіки їх зв’язків. Доведено, що відомі структурні особливості симплеціального комплексу при оцінюванні ризику дозволяють ураховувати сумісність між загрозами чи вразливостями. Сумісність в цьому контексті означає, що деякі вразливості можуть реалізовуватися як одночасно, так і окремо в залежності від профілю атаки на інформаційну систему. Доведено, що чим більш складним є зв’язок між окремими вразливостями, тим більший вклад сумісних компонентів у загальний ризик. Акцентовано увагу на тому, що при обрахунку загального ризику системи потрібно окремо враховувати «місця склеювання» (примикання) між ланцюгами симплексів. Оскільки ці місця є симплексами за визначенням, ризик, що відповідає ланцюгу, формується з ризиків від двох ланцюгів по місцю примикання. Він обчислюється як сума ризиків для двох ланцюгів мінус ризик для симплекса примикання, бо він врахований двічі — у складі кожного ланцюга окремо. Якщо примикання по симплексу відбувається для k ланцюгів разом, зрозуміло, що для компенсації кратності примикання потрібно віднімати від суми ризиків від ланцюгів ризик від симплексу множений на (k ­1). Оскільки інформація щодо структури примикання міститься у локальній карті та структурному графі симплеціального комплексу, вона може бути використана для розрахунку ризику безпосередньо з них. Тому загальну суму ризиків (по ланцюгах) запропоновано корегувати з урахуванням таких повторів для кожної вершині структурного дерева. Запропонований розрахунок ризику відрізняється від алгоритмів «згортання дерева» у теорії прийняття рішень тим, що працює з комплексом а не деревом, використовує підхід «включень та виключень», а також враховує відповідну кратність примикання. Здійснено загальний аналіз системи загроз і вразливостей інформаційної системи типового об’єкту критичної інфраструктури. За допомогою структурного аналізу виявлено можливість сумісних реалізацій загроз, які проявляються через складну структуру взаємозалежностей між уразливостями та загрозами. Проведено класифікацію вразливостей на основі параметрів, наведених у дисертаційному дослідженні для системи загроз інформаційної системи визначеного об’єкта критичної інфраструктури. За результатами проведених обчислень отримано опис структури системи загроз та ризиків, який більш точно відповідає реальним параметрам досліджуваної системи. Для проведення розрахунку ризиків зроблено припущення, що сумісна реалізація несприятливих подій, зокрема від кібератаки, є незалежною за втратами. Тому втрати розраховуються як сума, а ймовірність події як добуток. Отриманий результат також підтверджує, що при проведенні розрахунків з використанням запропонованого методу розширеного Q­аналізу структурновкладені загрози не мають впливу на кінцевий результат оцінки загального рівня ризику. Для спрощення розрахунків ризику вплив на систему структурно­вкладених загроз рекомендовано ігнорувати. Практичне застосування запропонованого методу оцінювання ризику засвідчило, що у порівнянні із методом спрощеної лінійної оцінки, загальна оцінка ризик для досліджуваної інформаційної системи об’єкта критичної інфраструктури зменшується майже до 23,3% у залежності від розподілу загроз та профілю атак. Метою дисертаційної роботи є розв’язання актуальної наукової задачі аналізу та синтезу моделей і методів оцінювання ризиків з врахуванням структурних властивостей сукупності зв’язків загроз та вразливостей кіберсистем, що дозволяє розробити процедуру побудови формули байєсівської оцінки ризику, виконати її аналіз та забезпечити уточнення оцінки ризику внаслідок врахування структури сумісності вразливостей системи. Об’єкт: загрози і вразливості у складних кіберсистемах. Предмет: оцінювання ризиків у складних кіберсистемах. У дисертаційному дослідженні отримані такі наукові результати: - Вперше побудовано модель зв’язків загроз та вразливостей у кіберсистемі у вигляді симплеціального комплексу, яка представляє складну структуру їх взаємозалежностей, для класифікації загроз і вразливостей та для оцінювання потенційних втрат і ризиків; - Вперше розроблено алгоритми аналізу симплекційного комплексу та його синтезу на основі повного набору структурних характеристик комплексу; - Вперше розроблено метод класифікації загроз та вразливостей у складній системі з урахуванням характеристик власної розмірності підсистем, їх примикання та наслідування, що дозволяє надійніше оцінювати ризики в кіберсистемі в залежності від варіантів атак; - Розроблено процедуру побудови байєсівської оцінки ризику з врахуванням структури вразливостей системи та складеної функції втрат. Всі теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи у повній мірі висвітлено у статтях, опублікованих у фахових вітчизняних наукових виданнях, що входять до відповідного встановленого переліку. Виконано їх належну апробацію на міжнародних та всеукраїнських наукових конференціях. У дисертаційному дослідженні розв’язана задача оцінювання ризику з урахуванням структурних особливостей зв’язків уразливостей та загроз у кіберсистемах. Проаналізовано систему зв’язків між загрозами та вразливостями в сучасних складних кіберсистемах. Виявлено, що зв’язки між ними можуть мати небінарний характер та визначати різний рівень сумісності між загрозами при реалізації атак. Проаналізовано методи структурного аналізу складних систем. Основним його інструментом визначено Q­аналіз, адже саме він дозволяє врахувати топологію взаємозв’язків між компонентами вразливостей та загроз у кіберсистемі. Побудовано структурну модель сумісної реалізації загроз для кіберсистем. Розроблено основні алгоритми для побудови структурної моделі системи взаємозалежностей загроз та вразливостей на основі Q­аналізу. Визначено основні структурні характеристики системи для подальшого обрахунку ризиків. У роботі структуровано інформацію про загрози та вразливості кіберсистем. Описано основні метрики оцінки взаємозалежностей між уразливостями та загрозами для їх подальшого використання при проведенні розрахунку оцінки загального ризику для системи. Здійснено аналіз методів оцінювання складених функцій втрат від реалізації сумісних загроз. Визначено, що внаслідок подібних атак на кіберсистему має здійснюватися корегування величини суми окремих втрат системи з урахуванням специфіки взаємних зв’язків. У загальному випадку при реалізації незалежних загроз сумарний збиток є сумою збитків внаслідок реалізацій окремих подій, але у разі виявлення взаємозалежності відповідних уразливостей та загроз, цей показник корегується (збільшується або зменшується) у залежності від характеру та специфіки їх зв’язків. На основі характеристик побудованих моделей, які відображають структурні особливості системи загроз, розроблено метод оцінювання ризику з урахуванням структурних особливостей системи та складених функцій втрат. Проаналізовано можливості практичного застосування розробленого методу оцінювання ризику з урахуванням специфіки взаємозв’язку вразливостей та загроз для інформаційних систем: 1) хмарних середовищ та 2) об’єктів критичної інфраструктури, а також виконано відповідні розрахунки. Здійснено порівняння результатів, отриманих при розрахунках оцінки ризику із застосуванням розробленого методу розрахунку для систем складної структури, з результатами, отриманими при розрахунках за допомогою простої лінійної оцінки ризику. Результати роботи впроваджено у навчальний процес навчальнонаукового фізико­технічного інституту Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», що підтвержено довідкою про вровадження в додатку Б. Моделі та методи розроблені в дисертації використані в Науководослідні роботі «Підтримка прийняття рішень в умовах невизначеності та конкурентної взаємодії» номер державної реєстрації 0124U001957, що підтверджує наукову та практичну цінність отриманих результатів дослідження. Наукові напрацювання та пропозиції даного дослідження використані під час підготовки матеріалів до засідання Ради національної безпеки і оборони України з питання «Про стан справ у енергетичній сфері», рішення Національного координаційного центру кібербезпеки при Раді національної безпеки і оборони України (далі – НКЦК), а також у процесі розроблення Загальних правил обміну інформацією про кіберінциденти, затверджених рішенням НКЦК (акт впровадження результатів дисертаційного дослідження наведено в додатку Б). За матеріалами дисертації опубліковано 12 робіт, з яких 4 – це статті у журналах і збірниках наукових праць, що входять до переліку фахових видань, затверджених МОН України за спеціальністю дисертації та 8 – публікації у матеріалах конференцій (у тому числі, міжнародних).
  • ДокументВідкритий доступ
    Аналіз можливості використання технологій IoT для підвищення безпеки руху у smart-місті
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Павлюченко, Владислав Андрійович; Макаренко, Володимир Васильович
    Павлюченко В.А. Аналіз можливості використання технологій IoT для підвищення безпеки руху у smart-місті. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 171 "Електроніка". – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", МОН України, Київ, 2024. В дисертаційній роботі вперше отримано наступні наукові результати: 1. Вперше проведено моделювання та аналіз розповсюдження енергії поля сигналу від дорожніх станцій DSRC у складних умовах міської забудови. 2. Вперше запропоновано використовувати дорожні станції DSRC в якості повторювачів сигналу на складних ділянках руху. 3. Виконано моделювання та аналіз розповсюдження енергії поля від різних типів RFID-міток, що використовуються у транспортній мережі міста. 4. Вперше запропоновано використовувати безшовне Wi-Fi покриття для підвищення безпеки руху транспортної мережі міста. 5. Виконано моделювання та аналіз розповсюдження рівня сигналу для створення безшовного покриття від точок доступу Wi-Fi для транспортних засобів та пішоходів. 6. Проведено дослідження можливості використання безшовної мережі WiFi для попередження водіїв та пішоходів при руху транспортних засобів. Дисертаційна робота присвячена аналізу можливості використання технологій IoT для підвищення безпеки руху у сучасному місті. Дисертаційне дослідження представлене у чотирьох розділах, у яких наведені та обґрунтовані основні результати роботи. У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, наведено методи дослідження, представлена інформація про наукову новизну, а також практичне значення отриманих результатів. Перший розділ присвячено огляду останніх публікацій в яких проводилися дослідження використання технологій IoT у транспортній мережі міста. Розглянуто наукові роботи по використанню безпроводових технологій у транспортній системі, розглянуто характеристики безпроводових технологій, на основі яких було зроблено висновки про доцільність використання у дослідженні технологій IoT, а саме: DSRC, Wi-Fi та RFID в якості допоміжних технологій у ідентифікації транспортних засобів, дорожніх знаків та пішоходів. У другому розділі проведено дослідження залежності інтенсивності поля сигналу сформованого активними та пасивними мітками системи радіочастотної ідентифікації (RFID) від умов розповсюдження сигналу. Проведено аналіз розповсюдження енергії поля від активних та пасивних RFID-міток. Визначено, що використання пасивних RFID-міток для інформування водіїв недостатньо для доріг, що мають дві та більше смуг руху в одну сторону. Такі мітки буде доцільно використовувати для доріг з однією смугою руху в одному напрямку або для доріг з двома смугами руху в одному напрямку за умови встановлення міток на дорожні знаки з обох боків дороги. Встановлено, що використання активних RFID-міток дає змогу інформувати транспортні засоби на дорогах, які мають більше ніж 2 смуги руху в одному напрямку. Для доріг з однією та двома смугами руху в одному напрямку буде достатньо інтеграції однієї активної RFID-мітки на дорожній знак. Для доріг з трьома та чотирма смугами руху в одному напрямку необхідно інтегрувати активні RFID-мітки з двох боків дороги для забезпечення надійного зв’язку. Для аналізу розподілення енергії поля у навколишньому середовищі використані програмні продукти Altair WinProp та Altair WallMan. Порівняння результатів моделювання і розрахунків енергії поля за формулою Фрііса показали високий ступінь збіжності результатів. Це свідчить про коректність результатів моделювання розповсюдження поля у складних умовах забудови міста. Використання характеристик радіочастотних міток, як пасивних так і активних, що випускаються промисловістю для застосування в системах контролю руху транспорту, дозволило отримати результати що добре корелюються з результатами досліджень опублікованими іншими авторами. Аналіз розповсюдження сигналів від RFID-міток на багато смугових дорогах, при різній конфігурації розташування транспортних засобів на дорозі, дозволив сформулювати вимоги до характеристик та місць розташування радіочастотних міток для реалізації надійного зв’язку з транспортними засобами в умовах щільного трафіку. Отримані результати можна використати при проектуванні автоматизованої транспортної мережі смарт-міста. У третьому розділі проведений аналіз розповсюдження сигналів пристроїв DSRC в умовах складної міської забудови при різній конфігурації вулиць і взаємному розташуванні транспортних засобів. З’ясовані межі впевненого обміну інформацією між транспортними засобами в умовах щільної міської забудови з великою кількістю будівель та складною конфігурацією вулиць. Проведено дослідження залежності інтенсивності поля сигналу, сформованого дорожніми станціями DSRC та бортовими пристроями транспортних засобів, від умов розповсюдження сигналу та взаємного положення станцій та транспортних засобів. Досліджено вплив місця розташування дорожньої станції на розповсюдження сигналу у міських умовах. Проведений аналіз можливостей системи DSRC для своєчасного попередження водіїв транспортних засобів про можливість зіткнення в умовах щільної міської забудови. Встановлено, що в умовах обмеженої видимості пристроїв DSRC, встановлених на транспортних засобах, недостатньо для забезпечення своєчасного інформування водіїв. Для усунення цього недоліку запропоновано встановлювати дорожні станції DSRC у зонах обмеженої видимості у якості повторювачів сигналів транспортних засобів. Це дає змогу на прямих ділянках збільшити відстань впевненого зв'язку і дозволить завчасно отримати повідомлення про небезпеку, що особливо важливо в умовах мокрого або покритого льодом дорожнього полотна. Дослідження показали, що використання дорожніх станцій для ретрансляції сигналів призводить до збільшення відстані впевненого прийому сигналів від двох до десяти разів в залежності від характеру забудови. Результати отримані за допомогою імітаційного моделювання у програмному середовищі Altair WinProp. Отримані результати можна використати при проектуванні мережі DSRC розумного міста в умовах високого рівня завад. У четвертому розділі проведено дослідження розповсюдження рівня сигналу від точок доступу Wi-Fi. В результаті проведеного дослідження встановлено, що незважаючи на те що технологія Wi-Fi забезпечує меншу швидкість з’єднання між пристроями, ніж технологія DSRC, при організації безшовного Wi-Fi покриття можна компенсувати цю ваду даної технології завдяки тому, що пристроям Wi-Fi не треба щоразу встановлювати з’єднання з точкою доступу, поки вони знаходяться в зоні дії безшовного покриття. Таким чином технологію Wi-Fi можна використовувати для оповіщення про місцезнаходження транспортних засобів та пішоходів на небезпечних ділянках руху. Аналіз розповсюдження сигналу від точок доступу Wi-Fi здійснювався у програмному середовищі Altair WinProp. Проведена експериментальна перевірка якості каналу передачі даних шляхом тестування втрат пакетів та пропускної здатності при різних рівнях сигналу в умовах щільної забудови у місті Києві. Дослідження проведені за допомогою Wi-Fi маршрутизатора “Mikrotik” та ноутбука з Wi-Fi модулем. Знайдено граничний рівень сигналу сформованого точкою доступу Wi-Fi, при якому кількість втрат пакетів буде припустимою, для побудови "безшовного" покриття для транспортної мережі. За результатами моделювання та експериментальних досліджень встановлено, що для побудови "безшовної" мережі необхідно створити зону з рівнем сигналу не меншим за -70 дБм для Wi-Fi 2.4 ГГц стандарту 802.11n. Такий рівень сигналу забезпечують чотири точки доступу Wi-Fi з потужністю передавача +20 дБм, встановлених на відстані 50 м одна від одної. Така побудова мережі WiFi забезпечить надійним зв’язком учасників дорожнього руху на відстані до 50 м від перехрестя. Практичне значення одержаних в дисертаційній роботі результатів полягає в тому, що отримані результати можуть бути використані для проектування безпроводової транспортної мережі безпечного міста. Проведене дослідження та моделювання по розповсюдженню енергії поля сигналу від точок доступу Wi-Fi можна використовувати для проектування "безшовного" Wi-Fi покриття для організації безпечного руху пішоходів та транспортних засобів у smart-місті. Результати отримані при дослідженні розповсюдження енергії поля від активних та пасивних RFID-міток можна використати при проектуванні системи оповіщення про дорожні знаки. Отримані результати містять інформацію про вибір правильного місце розташування, потужність передавача та необхідну кількість міток при побудові системи.
  • ДокументВідкритий доступ
    Алгоритмічне та програмне забезпечення технології цифрових двійників мульсемедійних об’єктів
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Рвач, Дмитро Вячеславович; Сулема, Євгенія Станіславівна
    Рвач Д. В. Алгоритмічне та програмне забезпечення технології цифрових двійників мульсемедійних об’єктів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 12 Інформаційні технології за спеціальністю 121 Інженерія програмного забезпечення. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Цифрові двійники є технологією, що надають змогу створити цифрову копію фізичного об’єкту для подальшого аналізу та симуляції його поведінки. Технологія цифрових двійників пропонує новий підхід до представлення та обробки динамічної цифрової моделі фізичного об'єкта або процесу, його минулого, теперішнього і майбутніх станів та поведінки. Цифровий двійник являє собою сукупність віртуальних інформаційних структур, які повністю описують майбутній або реально існуючий фізичний об'єкт від мікрорівня (одноелементний рівень) до макрорівня (загальний вигляд, загальні властивості об'єкта в цілому). Технологія цифрових двійників сполучає конкретну фізичну систему із комп'ютерною моделлю, яка відображає архітектуру, динаміку і фактичний стан цієї конкретної системи. Давачі, що дозволяють здійснювати безперервний моніторинг об’єкта, можуть бути використанні як джерела інформації для створення таких індивідуалізованих динамічних моделей. Аналіз існуючих програмних систем для роботи з цифровими двійниками показує, що вони є вузькоспрямованими на створення цифрових двійників специфічних об’єктів для конкретної галузі та не здатні використовувати більш універсальний підхід до створення цифрової копії реального об’єкту. Також значною мірою виявлена проблема відсутності уніфікації та стандартизації форматів обміну даними між фізичною та цифровою копією об’єкта. Розв’язання цих завдань можливе шляхом створення уніфікованої, гнучкої та стандартизованої програмної системи, що надає змогу створювати цифрові копії фізичних об’єктів з різними параметрами і налаштувати роботу з ними згідно з вимогами. Технологію цифрових двійників звичайно використовують у галузі виробництва та у інженерії. Натомість, практично немає прикладів застосування цієї технології у галузі освіти та у медичній галузі. Тим не менш, застосування технології цифрових двійників у цих галузях має великий потенціал, оскільки за рахунок її використання можна досягти нової якості освіти та медичних послуг. Проте, для адаптації технології цифрових двійників до вимог цих галузей, особливостю яких є безпосередня участь людини у процесах, процедурах та сервісах, доцільно враховувати новітні технічні можливості, що спрямовані на цифрову обробку даних про фізичні властивості об’єктів навколишнього світу, які здатна сприймати людина. Тому актуальною задачею є розширення технології цифрових двійників за рахнок застосування концепції мульсемедіа, яка робить можливим сворення нових інтерфейсів людиномашинної взаємодії. Описані завдання та тенденції визначають актуальну науковотехнічну задачу вдосконалення та розвитку теоретичних основ створення алгоритмічного та програмного забезпечення технології цифрових двійників, що вирішується у цій дисертаційній роботі. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності обробки даних про стан мульсемедійних об’єктів у програмних системах на основі концепції цифрового двійника. У першому розділі дисертаційної роботи проаналізовано методи, підходи та програмне забезпечення для обробки даних цифрових двійників мульсемедійних об’єктів. Досліджено технологію цифрових двійників та концепцію мульсемедіа. Вивчено поточний стан наявних програмних систем на основі технології цифрових двійників. Виявлено недостатню універсальність підходів до створення цифрового двійника у вказаних програмних системах. У результаті визначено функціональні та нефункціональні вимоги для цього класу програмного забезпечення. У другому розділі розроблено алгоритмічне та програмне забезпечення процесів консолідації мульсемедійних даних на основі концепції мультиобразу. Запропоновано метод консолідації мульсемедійних даних, який передбачає обробку мульсемедійних даних з використанням алгебраїчної системи агрегатів. Запропоновано розширення формату JSON для створення синхронізованої у часі структури мульсемедійних даних – TJSON. Використано дискретні вейвлет-перетворення та алгоритми стеганографії для поєднання даних різних модальностей в єдиний цифровий об’єкт. Запропоновано використання паралельних обчислень для підвищення ефективності реалізації запропонованого методу. У третьому розділі розглянуто наявні підходи до обробки даних про мульсемедійні об’єкти, один з яких ґрунтується на застосуванні мови програмування ASAMPL. Запропоновано шляхи вдосконалення мови програмування ASAMPL, а саме: оновлено синтаксис, що надало можливість поліпшити метрики коду при програмуванні мовою ASAMPL; уведено нові програмні конструкції, що розширило можливості мови, зокрема, зробило можливим застосування паралельних обчислень. Зазначені зміни включені до нової версії мови програмування – ASAMPL 2.0. Також запропоновано специфічні шаблони проєктування, що уніфікують та стандартизують підходи до роботи з мульсемедійними об’єктами. Четвертий розділ присвячено розробленню узагальненої архітектури програмних систем для обробки даних цифрових двійників мульсемедійних об’єктів. На основі запропонованої узагальненої архітектури розроблено архітектуру цифрового двійника пацієнта, яка призначена для використання у медичних програмних системах, та архітектуру програмної системи для тренінгів фахівців, чия професійна діяльність пов’язана з підвищеним ризиком. У дисертаційній роботі отримано низку нових наукових результатів, зокрема уперше запропоновано метод консолідації мульсемедійних даних, характерними рисами якого є застосування: концепції мультиобразу, кількісних відношень дискретних інтервалів, операцій алгебраїчної системи агрегатів, принципів стеганографії, дискретного вейвлет-перетворення, паралельних обчислень, що робить можливим поєднання даних різних модальностей в єдиний цифровий об’єкт. Удосконалено теоретичні засади обробки темпоральних мультимодальних даних, які полягають у тому, що запропоновані кількісні відношення дискретних інтервалів, які на відміну від відношень інтервальної алгебри Аллена та відношень дискретних інтервалів в алгебраїчній системі агрегатів, дають змогу встановлювати кількісні темпоральні властивості наборів даних різних модальностей. Уперше запропоновано узагальнену архітектуру програмної системи для обробки даних цифрових двійників мульсемедійних об’єктів, характерними рисами якої є оперування наборами темпоральних мультимодальних даних, які представлені як комплексна структура даних – мультиобраз мульсемедійного об’єкта, та забезпечення взаємодії з мульсемедійним об’єктом через спеціалізовані програмно-апаратні засоби (сенсори, актуатори, симулятори, рендери), що спрощує процеси розроблення нового покоління програмних систем на основі концепції цифрових двійників – мульсемедійного програмного забезпечення. Уперше запропоновано архітектурні шаблони проєктування, які, на відміну від відомих, призначені для оперування комплексними структурами мульсемедійних даних – мультиобразами мульсемедійних об’єктів, що спрощує процеси розроблення мульсемедійного програмного забезпечення. Основні наукові результати дисертаційної роботи опубліковано у 8 наукових працях, зокрема у 4 наукових статтях опублікованих у фахових виданнях, включених до переліку наукових фахових видань України з присвоєнням категорії «Б», та у 4 матеріалах наукових конференцій.
  • ДокументВідкритий доступ
    Підвищення ефективності робочого процесу струменево-нішевих пальників за рахунок домішок водню
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Кобилянська, Ольга Олександрівна; Сірий, Олександр Анатолійович
    Кобилянська О.О. Підвищення ефективності робочого процесу струменевонішевих пальників за рахунок домішок водню – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 «Теплоенергетика». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Підготовка здійснювалася на кафедрі теплової та альтернативної енергетики Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України. Дисертацію присвячено дослідженню закономірностей процесу горіння традиційних вуглеводневих палив при додаванні водню в умовах струменевонішевого стабілізатора полум’я, робочий процес якого визначає ефективність універсальних дифузійно-кінетичних промислових пальникових пристроїв. В роботі представлені рекомендації щодо адаптації струменево-нішевого стабілізатору для спалювання традиційних газоподібних палив у суміші з воднем. За результатами широкого промислового впровадження пальникових пристроїв струменево-нішевого типу розроблено рекомендації стосовно оцінки емісійних показників модернізованого вогнетехнічного устаткування. Отримані результати є продовженням робіт із вдосконалення робочого процесу пальників, які реалізують струменево-нішеву технологію горіння. В роботі показана актуальність теми, яка підкреслює необхідність переходу до безвуглецевих технологій спалювання палив. Так, поступове заміщення традиційних палив альтернативними є важливою задачею на найближчий період та має супроводжуватися науково-обґрунтованими рекомендаціями. У вступі наводиться обґрунтування актуальності теми дослідження, сформульовано мету та задачі дослідження, визначено об’єкт, предмет, наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, показано особистий внесок здобувача та висновки. Представлено відомості щодо апробації результатів досліджень та напрямки їх потенційного використання. Описано загальний обсяг дисертаційної роботи та її структуру. В першому розділі відображено актуальність даної тематики. Проаналізовано перспективи використання альтернативних газів, таких як: сланцевий газ, шахтний метан, спалювання біогазу, газифікація, використання водню, аміаку. Розглянуто основні особливості водню як палива. Способи виробництва, зберігання та транспортування водню. Теоретичний вплив спалювання водню на екологічні показники. Показано основні аспекти, які треба враховувати при спалюванні суміші водню з природним газом. Проаналізовано результати попередніх досліджень спалювання водню і встановлено основні фактори впливу водню на процес горіння, в порівнянні зі спалюванням природного газу, а саме: вплив на нормальну швидкість горіння, межі займання, геометрію факела, температури горіння. Окрема увага присвячена дослідженню впливу додавання водню до палива на емісію шкідливих компонентів. В ході досліджень авторами показано, що додавання водню призводить до підвищення температури в зоні горіння, а отже і до зростання викидів токсичних оксидів азоту. Натомість викиди СО та СО2 зменшуються. Однією з найбільш ефективних вітчизняних технологій горіння є Струменевонішева технологія, яка має широку географію та номенклатуру ефективно модернізованого газоспалювального устаткування. В контексті основних переваг технології, спалювання сумішного газу з воднем постає перспективним напрямком розвитку вже існуючих науково-технічних рішень. Для проведення досліджень розроблено експериментальний стенд, який дозволяє проводити багатоваріантні досліди, визначати вплив геометричних та режимних параметрів системи на характеристики робочого процесу пальників. Застосування теплової моделі стабілізації горіння забезпечує теоретичне обґрунтування технічних рішень щодо покращення надійності та ефективності експлуатації вогнетехнічного устаткування. Отримані результати дозволяють розробити комплексні рекомендації, щодо спалювання суміші традиційних палив з воднем з ціллю покращення робочих та екологічних показників паливоспалювального устаткування. В другому розділі наведено схему лабораторного стенду, детально представлено методику проведення експерименту і обробки отриманих даних при спалюванні традиційних паливних газів та їх суміші з воднем в умовах струменевонішевої системи. В розділі особливу увагу приділено опису конструкції стенда та наведено вимірювальне обладнання, яке використовувалось під час досліджень. В методиці проведення досліджень описано умови проведення вимірювань та особливості підготовки апаратури до вимірювань. Так, в ході експерименту фіксувались: тиск та температура повітря на вході у вимірювальну ділянку; витрати та температури пальних газів; температура продуктів згоряння по довжині факела та на виході з високотемпературної ділянки; емісійні характеристики СНС, в тому числі CO, CO2 та NOx, витрати компонентів горіння на зривних режимах та режимах запалювання суміші. Емісійні показники вимірювались за допомогою газоаналізаторів Testo-330 1LL та ОКСИ 5М-5Н. В розділі наведено методику обробки експериментальних даних та методику тарування звужуючих пристроїв вимірювання витрати з використанням сопла Вітошинського, наведено порядок обробки результатів вимірювань. Окрема увага приділена оцінці похибок вимірювання, а саме: похибці вимірювання емісійних характеристик СНС та похибці вимірювання швидкості потоку повітря. В третьому розділі наведено результати експериментального дослідження процесу горіння природного газу та пропан-бутану в суміші з воднем. Наведені фотографії факела, які наглядно показують, що додавання водню кардинально змінює структуру факела спалюваної суміші, що пояснюється підвищенням реакційної здатності палива. Результати вимірювання температур у відкритому факелі показало збільшення температури в усті пальника при додаванні водню більше 50% на 35…40°С і для чистого водню на 100-120°С у порівнянні з природним газом. Також додавання водню призводить до збільшення значення гідродинамічного параметра q, що характеризує далекобійність струменів, що важливо врахувати при адаптації пальників СНТ до спалювання водневмісних палив. В роботі досліджено вплив домішок водню на стабілізаційні характеристики спалювання природного газу в об’ємному співвідношенні 30%, 50% та 70% по водню. Показано, що додавання водню значно розширяє межі зриву. Коефіцієнт регулювання пальника при цьому суттєво підвищується. Також було проведено дослідження впливу домішки водню в об’ємному співвідношенні 50% на 50% за різної теплової потужності на розподіл температур. Показано, що додавання водню локально підвищує температури горіння суміші. Експериментально досліджено вплив домішки водню на рівень емісії оксидів азоту та вуглецю у продуктах спалювання сумішевих палив. Встановлено закономірності утворення СО та NOx в залежності від геометричних та режимних параметрів стабілізатора. Так, результати обробки експериментальних даних показали, що викиди оксидів азоту збільшуються приблизно на 65% при потужності пальника 20 кВт і становлять СNOx=57 ppm. Підвищення потужності пальника до 30 кВт призводить до збільшення емісії шкідливих газів на 20%. В свою чергу, для потужності пальника N=20 кВт емісія оксидів вуглецю майже втричі менше (а для випадку N=30 кВт – в 1,7 раза менше), ніж для природного газу без додавання водню. Для пропан-бутану підвищення концентрації оксидів азоту у продуктах згоряння не перевищує 40% і проявляється в більшій мірі у перехідних режимах роботи. Різниця між викидами СО з додаванням водню і для чистого пропан-бутану має майже однакову картину. Тобто, за умов проведення досліджень водень майже не впливає на екологічні характеристики спалювання пропан-бутану. В розділі було проведено стехіометричний розрахунок викидів СО2 у випадку заміщення метану воднем на 50% за об’ємом. Результати розрахунків показали зниження емісії СО2 на 23,0%. Також проведено теоретичний розрахунок викидів СО2 за ГКД 34.02.305-2002, в результаті розрахунку встановлено, що зниження викидів у випадку заміщення природного газу воднем на 50% за об’ємом складає – 24,0%. Представлені теоретичні результати корелюються з характеристикою отриманою за результатами газового аналізу. В роботі наведені приведені показники концентрації оксидів азоту, які використовуються при проведенні екологічного аудиту пальникових пристроїв. Надані рекомендації щодо адаптації конструкції струмінево-нішевого стабілізатору до спалювання сумішних палив в пальниках СНТ. В четвертому розділі наведено результати енергоекологічної оцінки паливоспалюючого устаткування. Так, за результатами аналізу емісійних показників модернізованого вогнетехнічного обладнання потужністю 0,5–60 МВт отримано дані для оцінки емісійних показників котлів малої та середньої потужності залежно від основних впливових факторів, а саме: від типорозміру агрегату, коефіцієнта надлишку повітря й навантаження котла, а також враховано вплив введення газів рециркуляції у топковий простір на рівень концентрації оксидів азоту. Так, введення 12-14% продуктів згоряння у топковий простір котла майже в 2,5 раза зменшує вміст оксидів азоту у відхідних газах. Показано, що зменшення оксидів азоту на один відсоток рециркуляційних газів становить величину CNOx=2...8%. Пальники СНТ мають на 1/3 вищу ефективність схеми рециркуляції в порівнянні з іншими газоспалювальнимим системами. Запропоновано методологічний підхід щодо екологічної оцінки котельного устаткування модернізованого на базі СНТ з використанням підходу компенсації впливів. Представлені результати є важливим етапом досліджень стосовно подальшого поглиблення уявлення процесів емісії шкідливих оксидів при спалюванні вуглеводневих палив у суміші з воднем. Результати дисертаційної роботи використані підприємством НВО «СНТ» при проєктуванні промислового газопальникового устаткування. Результати теплотехнічного налагодження водогрійних котлів КВ-Г-6,5, КВН-3,9, НИИСТУ-5, КВ-ГМ-20, ПТВМ-30 і ПТВМ-50, а також парових котлів типу ДКВР є технічною базою для узагальнення еколого-теплотехнічних показників паливоспалювального устаткування модернізованого на основі СНТ. Запропоновані методичні засади екологічного аудиту низки об’єктів паливоспалювального устаткування.
  • ДокументВідкритий доступ
    Алгоритмічне та програмне забезпечення захисту приватних наборів даних у задачах класифікації
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Северін, Андрій Іванович; Онай, Микола Володимирович
    Северін А. І. Алгоритмічне та програмне забезпечення захисту приватних наборів даних у задачах класифікації. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 12 Інформаційні технології за спеціальністю 121 Інженерія програмного забезпечення. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Впровадження систем аналізу даних і штучного інтелекту набуває все більшого поширення у різних аспектах людського життя. Окрім вже звичних випадків застосування таких систем у електронній комерції (наприклад, підбір рекомендацій користувачеві) та соціальній сфері (виявлення спаму, модерування коментарів), такі інструменти стрімко поширюються й для персонального використання (наприклад, чатботи ChatGPT, Google Bard, Microsoft Copilot, хоча вони з’явились лише впродовж останніх двох років). В основі систем, що використовують методи машинного навчання, лежать дані. Вони є необхідним елементом як для навчання систем аналізу даних і штучного інтелекту, так і для їх тестування. Чим більше різнопланових даних, аналізується, тим точнішою є побудована програмна система. Найчастіше джерелом даних для програмних рішень з використанням машинного навчання є реальний світ. Іноді дані генерують програмним шляхом, намагаючись відтворити певні характеристики даних. Проте, незважаючи на те, що кількість створюваних та оброблюваних даних стрімко зростає, дані досить часто містять щонайменше частину приватної інформації, що обмежує їх використання для систем аналізу даних і штучного інтелекту. Приватні дані – інформація, яка є конфіденційною, чутливою або секретною. Прикладами секретних даних є військові, фінансові та державні дані. Конфіденційні дані – дані, що дозволяють ідентифікувати людину або компанію, їх прикладами є серія та номер паспорту, реєстраційний податковий номер та номер автомобіля. Прикладами чутливих даних є дані, що містять медичні діагнози пацієнтів. Збереження приватності даних є вкрай важливим, адже втрата приватності може призвести до дуже негативних наслідків (передусім різноманітних злочинів та недобросовісної конкуренції). Таким чином, вище описані задачі визначають актуальну науковотехнічну задачу вдосконалення алгоритмічного та програмного забезпечення захисту приватних наборів даних у системах з використанням штучного інтелекту, яка вирішується у даній дисертаційній роботі для задачі класифікації. Метою дисертаційної роботи є удосконалення процесу оброблення приватних наборів даних для програмних систем інтелектуального аналізу даних. У першому розділі дисертаційної роботи розглянуто основні етичні аспекти використання систем штучного інтелекту та проблеми до яких може призвести їх ігнорування. Проаналізовано загрози приватності у таких системах, зокрема атаки інверсії, отруєння та логічного висновку. Проведено комплексний порівняльний аналіз методів збереження приватності в машинному навчанні (методи генерації синтетичних даних, анонімізації даних, диференційної приватністі, гомоморфного шифрування та федеративного навчання), що дозволило виявити основні проблеми існуючих методів, які потребують досліджень. Розроблено вимоги до програмного забезпечення захисту приватних наборів даних у задачах класифікації. У другому розділі розроблено алгоритмічні методи міжбазисних перетворень елементів скінченних полів. Проаналізовано особливості використання полів Галуа в гомоморфних методах збереження приватності, а також визначено залежність часу виконання операцій над елементами скінченних полів від базису (поліноміального чи нормального), в якому представлені елементи. Запропоновано метод пошуку поліномів, який відрізняється від існуючого використанням простих чисел у десятковому представленні замість поліномів й дозволяє зменшити обчислювальну складність процесу пошуку нормальних многочленів. Розроблено модифікований спосіб для переходу між базисами, який полягає у використанні рекурентної формули, що дозволяє зменшити як кількість пам’яті, що використовується, так і обчислювальну складність. У третьому розділі розроблено алгоритмічно-програмний метод захисту приватних наборів даних. Проаналізовано математичне підґрунтя для побудови алгоритмічно-програмних методів з використанням нейронних мереж. Запропоновано метод функціонального шифрування даних, особливістю якого є можливість використання приватних наборів даних в загальнодоступних системах аналізу даних та штучного інтелекту шляхом зменшення їх розмірності й функціонального шифрування отриманих даних з використанням приватного ключа. Запропоновано модифікацію моделі шифрування даних, яка полягає у використанні двовимірних згорткових нейронних мереж і дозволяє застосовувати модель шифрування даних, що представлені набором пікселів, з яких складається зображення. Проаналізовано метрики для оцінки методів захисту наборів даних. Четвертий розділ присвячено розробленню програмного забезпечення реалізації запропонованих методів для захисту приватних наборів даних та проведенню експериментальних досліджень. Запропоновано архітектуру програмної системи для вирішення задачі класифікації на основі приватних даних. Розроблено програмну систему, яка дозволяє виконувати обчислення над елементами поля GF(pm), проводити експериментальні дослідження, використовуючи поліноміальне й нормальне представлення елементів поля GF(pm), задавати різні значення вхідних параметрів p та m, а також генерувати різні набори тестових даних залежно від нормальних поліномів поля Галуа. Проведено експериментальні дослідження запропонованих методів міжбазисних перетворень скінченних полів. Розроблено програмну систему вирішення задачі класифікації на приватних наборах даних, що реалізує метод функціонального шифрування для захисту приватних наборів даних й дозволяє вирішувати задачу класифікації, використовуючи як оригінальні дані, так і зашифровані. Проведено експериментальні дослідження запропонованого методу функціонального шифрування. Проаналізовано шляхи інтеграції розроблених програмних систем. У дисертаційній роботі отримано низку нових наукових результатів, зокрема уперше запропоновано архітектуру програмної системи для вирішення задачі класифікації на основі приватних даних, характерною особливістю якої є захист приватних наборів даних, шляхом функціонального шифрування, що відбувається на стороні клієнта, і дозволяє збільшити кількість наборів даних для навчання загальнодоступних систем аналізу даних і штучного інтелекту. Уперше запропоновано модифікацію програмної моделі шифрування даних, яка відрізняється від існуючої використанням двовимірних згорткових нейронних мереж, замість одновимірних, і дозволяє застосовувати модель шифрування з використанням нейронних мереж до даних, що представлені набором пікселів, з яких складається зображення. Уперше розроблено алгоритмічно-програмний метод функціонального шифрування наборів даних, особливістю якого є можливість використання приватних наборів даних в загальнодоступних системах аналізу даних та штучного інтелекту шляхом зменшення їх розмірності й функціонального шифрування отриманих даних з використанням приватного ключа. Уперше розроблено алгоритмічно-програмний метод пошуку нормальних поліномів серед незвідних, який відрізняється від існуючого використанням простих чисел у десятковому представленні замість поліномів, що дозволяє зменшити обчислювальні витрати алгоритму пошуку незвідних многочленів з O(n3) до O(n log(log n)) і, як наслідок, спростити міжбазисні перетворення у бінарних скінченних полях з метою пришвидшення виконання операцій над елементами поля у методах гомоморфного шифрування даних. Уперше розроблено модифікований спосіб побудови матриці переходу між поліноміальним та нормальним базисами скінченного поля, який полягає у використанні рекурентної формули замість обчислення остачі від ділення елемента на незвідний поліном, що дозволяє зменшити кількість використовуваної пам’яті з до n · p, а також обчислювальну складність з до . Основні наукові результати дисертаційної роботи опубліковано у 7 наукових працях, зокрема у 4 наукових статтях, включаючи 1 статтю опубліковану у закордонному аховому виданнях третього квартиля (Q3), яке проіндексоване в базі даних Scopus, 1 статтю опубліковану у виданні, яке проіндексоване в базі даних Web of science, і 2 статті опубліковані у фаховому виданні, включеному до переліку наукових фахових видань України з присвоєнням категорії «Б» та у 3 матеріалах науково-технічних конференцій.
  • ДокументВідкритий доступ
    Система адаптивного освітлення на базі визначення циркадних ритмів людини
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Желязков, Єгор Олександрович
    Желязков Є.О. Система адаптивного освітлення на базі визначення циркадних ритмів людини. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 171 – Електроніка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2024. Дисертація присвячена розробці системи адаптивного освітлення, яка на основі даних про фізіологічні параметри людини та параметри світла у приміщенні, виконує функцію регулювання та підтримки комфортних умов перебування людини у приміщенні, шляхом адаптації під її циркадні ритми, що запобігає погіршенню стану здоров’я. Системи адаптивного освітлення широко застосовують в багатьох галузях. Зокрема, можна відзначити наступні застосування: в приладах противідблискового дальнього світла, широкодіапазонного ближнього світла та режиму освітлення під час руху транспортних засобів; в електронній промисловості в якості освітлення, яке є енергетично ефективним; у освітленні офісних та технологічних приміщень; у медицині при застосуванні поляризованого поліхроматичного світла та світлотерапії. Адаптація світла під циркадні ритми людини передбачає урахування фізіологічних даних та мікрокліматичних параметрів приміщення, в якому перебуває людина. Такий процес є досить складним, оскільки реєстрація фізіологічних сигналів містить як переваги, так і недоліки. Великою перевагою є наявність додаткової інформації та можливість підлаштувати режим освітлення під конкретного користувача. Недоліком є конструктивна складність реєстрації сигналів. При реалізації адаптивного освітлення необхідно враховувати також геометричні та світлові характеристики приміщенні. В більшості випадків основними вимогами, що висуваються до систем адаптивного освітлення, є: 1) колірна температура, що має відповідати часу доби та фізіологічним параметрам людини; 2) відсутність пульсацій світлового потоку; 3) енергетичні параметри – залежності енергії випромінювання від довжини хвилі випромінювання – мають бути узгодженими з колірною температурою у конкретні моменти часу доби. Додатково в застосуваннях, де випромінюється світло, що чинить додатковий вплив на людину (наприклад, зварювання, хірургія, використання електронних гаджетів), при тривалому використанні протягом багатьох років наявний негативний вплив як на здоров’я, так і на циркадні ритми людини. Це також треба враховувати при проєктуванні освітлювальних приладів та систем. Основним завданням роботи є дослідження впливу різних за параметрами типів світла на циркадні ритми людини та розробка системи, здатної адаптуватися під особисті фізіологічні характеристики людини та мікрокліматичні параметри в конкретний момент часу з урахуванням географічного розташування. На практиці використовують системи, що знімають та аналізують дані про циркадні ритми людини за допомогою натільних біологічних сенсорів. Разом з тим наявні системи, які за допомогою фотосенсорів реєструють, аналізують та відповідним чином змінюють світлові параметри – освітленість і корельовану колірну температуру. Існуючі системи адаптивного освітлення забезпечують регулювання світлових параметрів відповідно до часу доби та заданих алгоритмом керування значень, не враховуючи фізіологічні параметри людини. Додаткове врахування фізіологічних сигналів дозволяє забезпечити підлаштування під індивідуальні особливості, керування освітленням за індивідуально підібраними сценаріями, та зменшити шкідливий вплив додаткових світловипромінюючих пристроїв. Таким чином, в роботі запропоновано систему адаптивного освітлення, яка враховує внутрішні та зовнішні світлові показники приміщення та автоматично адаптується до фізіологічних даних людини. Така система належить до класу персоналізованих адаптивних систем розумного керування мікрокліматом, що широко використовуються у складі динамічних систем Інтернету речей (Internet of Things, IoT). У дисертаційній роботі на основі теоретичних і експериментальних досліджень забезпечується підвищення точності вимірювання світлових характеристик завдяки створенню нових і вдосконаленню існуючих методів вимірювання фотометричних характеристик. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та двадцяти двох додатків. У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми дослідження, сформульовано мету та задачі наукового дослідження, наведено дані про зв'язок роботи з науковими програмами, наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів дисертації та публікації. У першому розділі надано інформацію про циркадні ритми людини та принципи побудови систем адаптивного освітлення, розкрито принцип електронного моделювання циркадних ритмів. Проведено огляд існуючих наукових та технічних рішень щодо систем адаптивного освітлення, які застосовують для регулювання або з урахуванням циркадних ритмів людини. Також розглянуто особливості існуючих систем адаптивного освітлення та представлено методи аналізу та формування сигналів для визначення циркадних ритмів людини. У другому розділі проаналізовано взаємозв’язок між фізіологічними параметрами людини, електронними процесами у системі адаптивного освітлення та характеристиками світла. Результати представлено у формі регресійного рівняння. Проведено оцінку перебування людини у приміщенні з урахуванням умов світлового комфорту відповідно до зон кривої Круітгофа. У розділі наведено формалізований опис процесів, що відбуваються у системі адаптивного освітлення, а також проілюстровано діаграми основних характеристик фізіологічних параметрів людини у стані спокою та активному стані. Обґрунтовано вибір фізіологічних параметрів сигналу фотоплетизмограми – ЧСС, швидкість пульсової хвилі, значення часового інтервалу між амплітудами пульсуючої складової – як базових для аналізу циркадних ритмів людини, яка перебуває у приміщенні, з метою їхнього подальшого врахування у алгоритмах адаптивного освітлення. У третьому розділі представлено експериментальні дослідження електронних сигналів, які дозволяють виміряти взаємозв’язок між фізіологічними даними людини та світловими параметрами у приміщенні в певний час доби. Показано, що модель системи є універсальною та може бути використана не лише для параметрів світла, але й для інших даних мікроклімату. Представлено результати лабораторних експериментів для визначення рівня світлового комфорту, в якому перебуває людина з певними особистими параметрами (вік, стать, вага, зріст, стан здоров’я, тощо). Додатково представлено результати чисельного моделювання, які визначають значення циркадного ритму людини в залежності від рівня освітлення для стабільних і помірно перехідних ситуацій. Розроблено рекомендації щодо найкращих можливих світлових параметрів у певний час доби для певної особи. У четвертому розділі представлено практичну реалізацію системи інтелектуального адаптивного керування параметрами освітлення, наведено імітаційну модель системи та діаграми її роботи. Також наведено схему електричну принципову та фізичну модель системи адаптивного освітлення на базі визначення циркадних ритмів людини. Імітаційне моделювання та результати практичних досліджень підтверджують висунуті припущення про підвищення енергоефективності системи, рівня комфорту людини за рахунок адаптації значень світлових параметрів у приміщенні. Також у розділі наведено моделювання вихідного значення корельованої колірної температури протягом доби, фізіологічних параметрів особи, а також програмну реалізацію алгоритмів роботи системи. У загальних висновках автором представлені наукові та практичні результати дисертаційного дослідження та рекомендації щодо їх використання. У частині «додатки» представлено 22 додатків: «Акти про практичне впровадження розробленої ІоТ-системи адаптивного освітлення у проектах», «Лістинг скетчу програми для реалізації роботи Blynk IoT з МК ESP32», «Лістинг скетчу програми для реалізації роботи дисплея OLED WPI438 з МК ESP32», «Лістинг скетчу програми для реалізації роботи сенсора кольору BH1750 з МК ESP32», «Лістинг скетчу програми для реалізації роботи Bluetooth-модуля HC-06 з МК ESP32», «Лістинг скетчу програми для реалізації роботи пульсоксиметра і сенсора серцевого ритму MAX30102», «Лічильник енергії revolt серії NC5561-944», «Структура світлодіодної лампи «Lumis key light pro», «Загальний вигляд та технічні характеристики світлодіодної панелі для освітлення «Lumis key light pro» з пультом та штативом», «Обладнання для проведення експериментів», «Загальний вигляд клімат-кімнати ТУ Дрездена: вид ззовні (а) та зсередини (б)», «Шкала нечітких логічних значень інтервалу РРІ відповідно до вікових категорій», «Основні характеристики біосигналів у стані спокою та активному стані за однакового значення дискретного кроку», «Сприйняття освітлення різної колірної температури», «Представлення з’єднання сенсора кольору ВH1750 з мікроконтролером Nodemcu ESP-32. Лістинг скетчу програми для реалізації роботи сенсора кольору BH1750 з МК ESP32», «Представлення з’єднання підключеного ESP32 до OLED-дисплея. Лістинг скетчу програми для реалізації роботи дисплея OLED WPI438 з МК ESP32», «Лістинг скетчу програми для реалізації роботи Blynk IoT з МК ESP32», «Вихідні характеристики зміни значення ССТ протягом доби», «Представлення з’єднання bluetooth-модуля HC-06 з мікроконтролером Nodemcu ESP-32. Лістинг скетчу програми для реалізації роботи Bluetooth-модуля HC-06 з МК ESP32», «Представлення з’єднання сенсора MAX30105 з мікроконтролером Nodemcu ESP-32. Лістинг скетчу програми для реалізації роботи пульсоксиметра і давача серцевого ритму MAX30105», «Електрична принципова схема для реалізації системи адаптивного освітлення з урахуванням циркадних ритмів людини», «Закономірність між світловим середовищем проживанням та циркадним індексом тестованої особи». Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному: 1. Запропоновано підхід щодо визначення інтегрованого показника зв‘язку між фізіологічними параметрами людини (ЧСС, швидкість пульсової хвилі, значення часового інтервалу між амплітудами пульсуючої складової), світловими та електричними параметрами системи адаптивного освітлення, за допомогою якого можливо керувати світловими параметрами середовища, в якому перебуває людина. 2. Запропоновано підхід щодо моделювання роботи серця людини у вигляді електричної схеми Ван дер Поля, яка відрізняється врахуванням трансмісійного ефекту між серцем та тканинами організму, що дозволило імітувати роботу серця людини задля уникнення шумів та завад у елементах еквівалентного електричного кола з подальшим та точним визначенням параметрів циркадних ритмів людини. 3. Запропоновано математичну модель оточуючого середовища, яка відрізняється від відомих представленням залежностей параметрів мікроклімату та фізіологічних параметрів людини у вигляді нечітких логічних висловлювань. 4. Запропоновано електричну принципову схему сенсорів вимірювання фізіологічних параметрів для визначення циркадних ритмів людини та параметрів оточуючого середовища, яка відрізняється від відомих можливістю визначення та підлаштування параметрів світла та мікроклімату під особисті фізіологічні параметри людини. Практичне значення отриманих результатів дисертації: 1. Запропоновано технічні рішення для ІоТ-системи адаптивного освітлення, які інтегрують дані про індивідуальний стан людини та умови оточуючого середовища для автоматичного регулювання освітлення. Це дозволило покращити якість життя людей і підвищити енергоефективність освітлення на 10%. 2. На базі запропонованих математичних моделей та методів розроблено програмне забезпечення мовою програмування С++ у програмному середовищі Arduino для вимірювання біологічних сигналів та параметрів оточуючого середовища, зокрема для підтримки функціонування електричної принципової схеми сенсорів, що дозволяє підлаштовуватися під фіксовані фізіологічні потреби конкретної людини, адаптуватися у конкретний момент часу під їх зміни, а також підтримувати комфортні умови перебування людей у приміщенні. 3. Виконано практичне впровадження розробленої ІоТ-системи адаптивного освітлення у проектах "KUEHA" та "CeTi" в Технічному університеті м. Дрезден.
  • ДокументВідкритий доступ
    Усунення вібрацій при кінцевому фрезеруванні на верстатах з ЧПК
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Сікайло, Максим Олександрович; Петраков, Юрій Володимирович
    Сікайло М.О. Усунення вібрацій при контурному фрезеруванні на верстатах з ЧПК. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена вирішенню проблеми виникнення вібрацій при фрезеруванні кінцевими фрезами на верстатах з ЧПК. Існують пасивні та активні методи зменшення вібрацій в процесі фрезерування, але вони потребують втручання в конструкцію верстату та/або інструменту, що є вартісним і неуніверсальним. Також ефект зменшення вібрацій можна досягти за рахунок вибору «безвібраційних» режимів різання, які можна зобразити на пелюстковій діаграмі сталості. Це стало можливим завдяки широкому використанню верстатів з ЧПК та сучасних інструментальних матеріалів, що дозволяє сподіватися на значну ефективність від впровадження такого підходу для більшості процесів різання. На виробництві такий режим найчастіше знаходять експериментальним методом проб і помилок. Визначити «безвібраційний» режим різання попередньо, на етапі підготовки управляючої програми, можливо за діаграмою сталості. Проте, для вирішення такої проблеми і досі не створено простих дієвих способів і комп’ютерних засобів, які можуть бути використані безпосередньо на виробництві. Існують декілька методів створення діаграми сталості, однак з причини відсутності загальної моделі про процес різання з урахування зворотних зав’язків в пружній ТОС втрачається адекватність представлення процесу. Експериментальний метод є більш точним, але він неуніверсальний, бо використовується для конкретного верстату, заготовки та інструменту. Для ідентифікації таких режимів різання був створений програмний застосунок, який в автоматичному режимі будує діаграму сталості процесу фрезерування. В програмний застосунок покладена розроблена математична модель процесу кінцевого фрезерування 4-го порядку, що враховує замкненість пружної динамічної системи у вигляді одномасової з двома степенями свободи і додатково замкненої через позитивний зворотний зв'язок за двома координатами через функцію запізнення. Визначення границі сталості відбувається за новим критерієм сталості Найквіста. Моделювання процесу відбувається як в часовому, так і в частотному просторі. Запропонована методика та апаратні засоби для ідентифікації динамічних характеристик технологічної обробляючої системи, а саме: частоти власних коливань, жорсткості та коефіцієнту затухання коливань. Для апробації отриманих результатів був проведений експеримент, який складається з двох етапів. На першому етапі були ідентифіковані динамічні параметри системи верстат-заготовка-інструмент, та автоматично побудована діаграма сталості. На другому етапі були оброблені заготовки на режимах різання, які відповідають отриманій діаграмі сталості. Результати показали дієвість нового критерію сталості Найквіста, та отриманої діаграми сталості. Зміст роботи складається з п’яти розділів, у яких викладено та обґрунтовано основні результати дисертації. У вступі наведена загальна характеристика роботи, обґрунтовано актуальність теми дослідження, розкритий зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами, сформульована мета, завдання, об’єкт та предмет дослідження, вказана наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, визначений особистий внесок здобувача, наведені дані про апробацію, публікації, структуру та обсяг роботи. У першому розділі описаний процес фрезерування кінцевими фрезами, наведені причини поширеного застосування даного методу лезового оброблення. Наведена системна класифікація вібрацій які виникають в технологічній оброблюваній системі, причини їх виникнення і негативні наслідки, які вони спричиняють. Сформульована актуальність дослідження питання усунення вібрацій при контурному фрезерування на верстатах з ЧПК. Проведено огляд та аналіз методів усунення вібрацій при лезовому обробленні, такі як активні та пасивні методи. Розглянуто існуючі методи побудови діаграми сталості, побудова якої дозволяє вибрати «безвібраційні» режими різання. Вказано на недоліки та переваги кожного з методів. Описано параметри, необхідні для побудови діаграми сталості. Вказано що основним чинником виникнення вібрацій є оброблення «за слідом». Виходячи з результатів аналізу літератури була сформульована мета і задачі досліджень. У другому розділі наведений детальний опис математичної моделі. Розроблена математична модель, яка представляє динамічну обробну систему як одномасову з двома степенями свободи, що охоплена негативними зворотними зв’язками за напрямом двох координат. Оброблення за слідом представлене у вигляді позитивних зворотних зв’язків з функцією запізнення в кожному. Математична модель представлена у формі змінних стану, що дозволяє застосувати чисельні методи моделювання для визначення як перехідних, так і частотних характеристик. Представлені розрахункові схеми та структурні схеми. У третьому розділі детально описано створену прикладну програму, яка моделює процес фрезерування кінцевими фрезами у часовому та частотному просторі. Також вона автоматично будує пелюсткову діаграму сталості. Програма враховує частоту власних коливань по кожній осі, коефіцієнт затухання коливань, жорсткість по осям, ширину різання, діаметр фрези та кількість зубів, також параметри заготовки у вигляді коефіцієнтів різання. Описаний новий критерій сталості Найквіста для процесу фрезерування кінцевими фрезами, та створений алгоритм автоматичної побудови діаграми сталості. Дієвість нового критерію сталості Найквіста підтверджена за допомогою моделювання процесу фрезерування для різних варіацій ТОС у часовому та частотному просторі. У четвертому розділі проведений огляд апаратних засобів які використовуються для визначення динамічних характеристик ТОС. А саме, визначення жорсткості та частотної характеристики. Створена вимірювальна система для фіксації силових характеристик ТОС, описані основні параметри та схеми підключення. Система складається з підсилювачів, багатокомпонентного динамометра, спеціального програмного засобу який дозволяє фіксувати силові характеристики. Запропоновані та апробовані на практиці схеми наладки для вимірювання жорсткості та знаходження частоти власних коливань ТОС. Вони дозволяють оперативно визначити динамічні параметри конкретної оброблюваної системи на підприємстві, що дозволяє технологу-оператору верстату автоматично побудувати діаграму сталості саме для його варіанту оброблення. Експериментальним методом знайдені динамічні параметри вертикально-фрезерного верстату мод. 6М13, обробляючого центру з ЧПУ XYZ VMC 1010. У п’ятому розділі представлена побудована діаграма сталості для обробляючого центру з ЧПУ XYZ VMC 1010. Вибрані режими різання та інструмент для проведення експерименту з фрезерування на верстаті. Адекватність отриманих результатів підтверджена як комп’ютерним моделюванням, так і натурним експериментом фрезерування при режимах різання, які потрапляють в область сталості та несталості на графіку SLD. Оцінка рівня вібрацій в системі виконувалась за профілографами шорсткості оброблених на різних режимах поверхонь.
  • ДокументВідкритий доступ
    Методи і програмні засоби для автоматизації управління роботизованою кінцівкою
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Вітюк, Альона Євгеніївна; Дорошенко, Анатолій Юхимович
    Вітюк А.Є. Методи і програмні засоби для автоматизації управління роботизованою кінцівкою. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 121 «Інженерія програмного забезпечення». Робота виконана на кафедрі інформатики та програмної інженерії Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України. Дисертацію присвячено дослідженню програмних засобів для управління роботизованою кінцівкою та методам автоматизації процесу їх розробки з використанням алгоритмів нейроеволюції. Класичні моделі програмних засобів для управління роботизованими кінцівками базуються на точних специфікаціях завдань і точних моделях цільових об’єктів, з якими взаємодіє робот. Такі підходи гарно працюють у лабораторних умовах, проте мають обмежену придатність в умовах реального світу. Нові програмні застосунки для управління роботизованими кінцівками повинні працювати з недосконалими датчиками та виконавчими механізмами. Розробка моделей управління роботизованою кінцівкою нового покоління має бути автоматизованою, адже завдання та робочі середовища для роботів ускладнюються, зростає потреба в методах навчання та пошуку, які можуть планувати досягнення цілі, не покладаючись на вже існуючу структуру підзадач, розроблену людиною. Таким чином, вказані задачі визначають актуальну науково-технічну задачу вдосконалення теоретичних (методів) та практичних (програмних засобів) основ автоматизованої розробки адаптивних моделей управління роботизованою системою з захватним пристроєм, яка вирішується у даній дисертаційній роботі. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності розроблення програмного управління роботизованою рукою, яка отримує інформацію про стан середовища з камери, шляхом використання методів автоматизації створення нейроеволюційних моделей. Результати викладено у чотирьох розділах дисертації. Перший розділ присвячено огляду та аналізу проблем автоматизованого управління роботизованою рукою робота. Розглянуто особливості взаємодії агента та середовища. Запропоновано методи навчання інтелектуального роботизованого агенту для виконання задач маніпуляції цільовими об’єктами роботизованою рукою. Розглянуто програмні засоби для навчання нейроконтролерів роботизованих систем. Другий розділ присвячено огляду методів комп’ютерного зору для обробки візуальної інформації, яка може бути використана роботизованим агентом як вхідні дані стану середовища. Розглянуто залежність точності вхідних даних з візуального сенсора та якості позиціонування роботизованої системи. Запропоновано методи та програмні засоби для оцінки впливу похибок параметрів камери на якість реконструйованої моделі середовища. Третій розділ присвячено методам нейроеволюції для управління роботизованою системою з маніпулятором. Розглянуто алгоритм NEAT для автоматизації розробки нейроконтролерів для управління роботизованою кінцівкою. Розроблено навчальне середовище для автоматизованої розробки моделі позиціонування роботизованої руки. Представлено методи адаптації нейроеволюційного підходу до використання в цільових задачах роботизованої руки. В четвертому розділі розглядається розроблення програмного засобу для адаптивного навчання контролерів роборуки на основі нейромереж з використанням методів нейроеволюціїї для задач, де вхідні дані представлені у вигляді зображень з камери. Представлена реалізація програмного рішення для навчання роботизованої руки заданої конфігурації виконання задач у тренувальних середовищах. У дисертаційній роботі отримано низку нових наукових результатів, а саме: Вперше запропоновано метод пошуку новизни в нейроеволюції для автоматизації створення моделі програмного управління роботизованою кінцівкою, що дозволяє прискорити процес розробки системи управління для нових задач роботизованої кінцівки, зокрема для адаптації конфігурації кінцівки або середовища, що підтверджується за допомогою навчання у тестових середовищах та оцінки отриманої моделі. Представлений метод відрізняється від існуючих тим, що не потребує ресурсів розробника для ручного налаштування параметрів управління роботизованою кінцівкою з метою отримання найбільш ефективної стратегії вирішення кожної окремої задачі управління. Вперше запропоновано метод навчання на основі гіперкуба для програмного управління в задачах агента-роборуки, що отримує інформацію про стан середовища з камери. Використання методу на основі гіперкуба для програмного управління агентом на основі зображень з камери покращує ефективність навчання моделі за рахунок використання відображення геометрії фенотипу субстрату штучної нейронної мережі на його шаблон зв’язків на основі гіперкубу, сприяючи розвитку більш універсальних і потужних архітектур нейронних мереж. Вперше розроблено метод підвищення якості вхідних даних з камери, які використовуються для автоматизованого управління роботизованою кінцівкою, що надає можливість навчання роботизованих агентів на тестових середовищах в умовах, що наближені до реальних, адже враховують похибки камери. Цей метод дозволяє налаштовувати конфігурацію камери у навчальній системі для адаптації моделі до реальної конфігурації роботизованої системи, що забезпечує зменшення похибок параметрів камери під час калібрування та суттєве підвищення успішності стійкого захвату кінцівкою. Практичне значення одержаних результатів полягає у експериментально підтвердженій ефективності представлених методів на відомих тестових середовищах OpenAI Gym для перевірки якості нейроеволюційних алгоритмів як для двовимірних моделей середовищ, так і для тривимірних, де інформацію про стан середовища роботизований агент отримує з камери, що наближено до роботи системи в умовах реального світу. Отримано патент на засоби калібрування камери для підвищення якості вхідних даних з камери, що використовується для автоматизованого управління роботизованою кінцівкою. Реалізовано метод пошуку новизни під час автоматизованого навчання моделі системи для двовимірного середовища та метод на основі гіперкуба для тривимірного середовища при виконанні маніпуляційних задач роботизованою кінцівкою. Встановлено, що використання представлених методів у нейроеволюційному процесі для вирішення задачі позиціонування дозволяє підвищити ефективність процесу навчання мережі та отримати оптимальну топологію управляючої мережі. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано у 9 наукових працях, зокрема, у 5 наукових статтях, з яких 4 статті опубліковано у фахових виданнях, включених до переліку наукових фахових видань України з присвоєнням категорії «Б», та 1 статтю у інших виданнях. Крім того, 3 статті у матеріалах науково-технічних конференцій. Також опубліковано 1 патент.
  • ДокументВідкритий доступ
    Фізико-металургійні та термодеформаційні процеси при зварюванні тонкостінних конструкцій із алюмінієвих сплавів з використанням лазерного випромінювання
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Пелешенко, Святослав Ігорович; Квасницький, Віктор Вячеславович
    Пелешенко С. І. Фізико-металургійні та термодеформаційні процеси при зварюванні тонкостінних конструкцій із алюмінієвих сплавів з використанням лазерного випромінювання. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 131 Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Дисертація присвячена дослідженню та створенню технологій зварювання виробів космічної промисловості з високоміцних алюмінієвих сплавів із використанням лазерного випромінювання шляхом розрахункового вибору параметрів режимів (щільності потужності, швидкості, розміру і часу існування зварювальної ванни) з подальшою експериментальною перевіркою, визначення впливу режимів та умов ведення процесу на формування напруженодеформованого стану та зміну геометричної форми виробів, розрахунковому прогнозуванню параметрів зварювання берилієвих сплавів. У роботі визначені характерні дефекти зварювання та шляхи їх усунення, створені методика та обладнання для визначення компонент напружено-деформованого стану та неруйнівного контролю виробів, зварених із використанням розроблених технологій, проведене конструювання дослідно-промислового комплексу для реалізації розроблених технологій. Дисертаційна робота складається з п'яти розділів, у яких викладено та обґрунтовано основні результати дисертаційної роботи. У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми дослідження, визначені мета та задачі дослідження, приведені методи дослідження, сформульовані наукова новизна та практична цінність отриманих результатів. У першому розділі приведені результати аналізу особливостей зварювання легких сплавів на основі алюмінію і берилію із використанням сучасних зварювальних технологій. Розглянуто особливості використання лазерного випромінювання для зварювання тонкостінних конструкцій із легких сплавів, в тому числі актуальні проблеми при зварюванні тонкостінних конструкцій із легких сплавів, зокрема з неповним проплавленням. На основі проведеного аналізу визначені мета та завдання досліджень. Другий розділ присвячений опису застосованих стандартизованих та розроблених методик проведення дослідження, наведені опис та характеристики обраних матеріалів, технологічного обладнання для проведення експериментів та металографічних досліджень. Для досягнення мети реботи та вирішення поставлених завдань була прийнята наступна методика досліджень: вибір зварюваних алюмінієвих сплавів і підготовка зразків; математичне модельне дослідження особливостей поглинання лазерного випромінювання при зварюванні легких високоміцних сплавів; виконання розрахункових експериментів на основі моделювання розподілу теплових полів у виробах з легких високоміцних сплавів, прогнозування параметрів режимів зварювання з використанням лазерного випромінювання; створення лабораторного стенду для проведення технологічних досліджень; експериментальна перевірка точності розрахунків, металографічні дослідження зварених зразків, визначення характерних дефектів та шляхів їх усунення, корегування режимів; розробка комбінованого способу розрахунково-експериментального визначення залишкових деформацій та напружень у звареному виробі; створення методики та обладнання неруйнівного дослідження компонент напружено-деформованого стану (НДС) тонкостінних зварних виробів із високоміцних легких сплавів шляхом обробки цифрових стереозображень; створення технологічних рекомендацій щодо зварювання виробів космічної галузі з легких високоміцних сплавів з використанням лазерного випромінювання; проектування зварювальних головок для реалізації процесів зварювання легких високоміцних сплавів із застосуванням лазерного випромінювання в умовах камери з контрольованою атмосферою; проектування комплексу дослідно-промислового обладнання для герметизації зварюванням високоточних тонкостінних виробів космічної галузі з легких високоміцних сплавів і апаратури неруйнівного контролю НДС зварних виробів. В третьому розділі дисертаційної роботи приведені результати моделювання з’єднання легких сплавів лазерним зварюванням та лазерномікроплазмовим зварюванням, описана методика вибору параметрів режимів зварювання тонкостінних виробів з легких сплавів із ненаскрізним проплавленням із застосуванням лазерного випромінювання, приведені результати експериментальної перевірки використаної методики вибору режимів зварювання та результати металографічних досліджень отриманих зварних з'єднань, а також аналіз характерних дефектів та шляхів їх усунення. В роботі вперше досліджені особливості впливу супутнього плазмового підігріву на поглинання лазерного випромінювання поверхнею алюмінієвих сплавів і зроблений прогноз щодо особливостей поглинання випромінювання берилієвими сплавами. Визначено, що при переході легких сплавів від твердого до рідкого стану частка поглиненого лазерного випромінювання стрибкоподібно зростає до 5 разів для алюмінію і на 20% для берилію. Встановлено, що завдяки приблизно втричі більшій теплопровідності берилію та його сплавів, порівняно із теплопровідністю алюмінієвих сплавів, погонна енергія лазерного зварювання берилієвих сплавів має приблизно вдвічі перевищувати енергію, яка необхідна для лазерного зварювання алюмінієвих сплавів. У разі застосування супутнього локального мікроплазмового підігріву зварювальної ванни таке підвищення погонної енергії зменшується до 30%. Для такого супутнього підігріву визначений вплив дистанції між фокусом лазерного випромінювання і центром анодної плями плазмової дуги на тенденції формування шва і ступінь прояву синергетичного ефекту взаємодії цих двох енергетичних джерел. Створені методики попереднього розрахункового визначення параметрів режимів зварювання з використанням лазерного випромінювання (лазерного і лазерно-мікроплазмового процесів) та залишкового напружено-деформованого стану виробів космічної промисловості з високоміцних алюмінієвих і берилієвих сплавів. За допомогою експериментальної перевірки розроблених методик на зразках високоміцних алюмінієвих сплавів визначена величина похибки (до 10...20%) та обґрунтована прийнятність цих методик для розв'язуваних завдань. Встановлено, що завдяки поєднанню високої теплопровідності із низьким коефіцієнтом поглинання лазерного випромінювання для зварювання алюмінієвих сплавів існують певні порогові значення потужності та швидкості зварювання, а також визначені шляхи подолання недоліків, які можуть виникати через цю особливість. Розрахунковим і дослідним способами показано, що одним з найбільш ефективних шляхів покращення лазерного зварювання є застосування супутнього локального підігріву зварювальної ванни мікроплазмою прямої дії. Такий технологічний прийом забезпечує економію коштовної лазерної енергії та водночас дозволяє в 1,5-2 рази підвищити швидкість зварювання і покращити формування швів. Проведене математичне прогнозування зварювання берилію та його сплавів за допомогою лазерного випромінювання із перевіркою отриманих результатів за літературними даними. Встановлено, що через теплопровідність, яка приблизно втричі перевищує теплопровідність алюмінієвих сплавів, для їх зварювання потрібно більше вкладення енергії. Тому погонні енергії провару берилієвих сплавів на глибину порядку 0,5-0,6 мм за умови нагрівання виробу до 100...120°С мають перевищувати енергії аналогічних проварів алюмінієвих сплавів: при лазерному зварюванні до 4 разів, при лазерно-мікроплазмовому – на 30…50%. Встановлено, що збільшення розміру зерен литого металу шва при лазерному зварюванні високоміцних алюмінієвих сплавів призводить до зниження міцності шва, зокрема в зонах сплавлення і вертикальної осі поперечного перерізу. Підвищення питомої енергії випромінювання призводить до зменшення вмісту летючих легуючих елементів сплаву (в першу чергу Mg, Zn, Li). Одним з характерних дефектів є утворення внутрішніх пор діаметром від 0,05 до 0,2 мм. Крім того, при зварюванні таких сплавів можлива поява як осьових, так і поперечних гарячих тріщин. Найбільш небезпечними зонами виникнення тріщин є кратер, де відбувається остаточна кристалізація розплаву, а також дефекти шва. Шляхами усунення схильності металу до тріщиноутворення є: попередній або супутній підігрів, мінімізація погонної енергії зварювання, використання присадкових матеріалів, плавне зменшення потужності лазерного випромінювання при закінченні процесу зварювання, видалення з поверхні заготовок окислу Al2O3 перед зварюванням, застосування основного металу з більш дисперсною структурою. Дослідження показали, що одним з найкращих і найбільш універсальних способів мінімізації схильності металу до виникнення характерних дефектів при лазерному зварюванні високоміцних алюмінієвих сплавів є супутній підігрів металу зварювальної ванни мікроплазмою з електричною дугою прямої дії. Порівняно зі звичайним лазерним зварюванням такий підхід покращує формування підсилення верхнього валика шляхом усунення гребнів і підрізів, мінімізує пороутворення, зменшує твердість металу ЗТВ до рівня твердості основного металу, сприяє підвищенню швидкості зварювання, до 1,5-2 разів зменшує розмір зерен литого металу з’єднання. Встановлено, що лазерне зварювання стикових з'єднань високоміцних алюмінієвих сплавів дозволяє отримувати шви з близьким до 1 коефіцієнтом форми при мінімальних витратах погонної енергії (5…10 Дж/мм) із часом існування ванни розплаву 0,02…0,04 с. Зернистість металу з'єднання носить регулярний характер, зерна в переплавленому металі мають рівноосну форму та подовжену форму біля лінії сплавлення (коефіцієнт форми зерна =2...3) і в ЗТВ (=2,5...5). Мікротвердість у швах зменшується на 15%, а ЗТВ збільшується на 8…12% відносно основного металу. Основні дефекти – утворення в ЗТВ мікротріщин довжиною 10...20 мкм та наявність у кореневій частині швів включень залишків оксидних плівок. Для підвищення якості з’єднань та усунення виявлених дефектів запропоновано використовувати лазерномікроплазмове зварювання. Зерна металу шва при такому зварюванні мають рівноосну будову, розмір зерен зменшується у 1,5-2 рази порівняно з лазерним зварюванням. Уздовж лінії сплавлення та у ЗТВ формуються структури з подовженими зернами (=3…6 і =4…5, відповідно). Мікротвердість металу шва зменшується на 15…20% від основного метала, а ЗТВ – приблизно відповідає основному металу. При цьому використання коштовної лазерної енергії зменшується на 40…50%, час існування зварювальної ванни (0,03…0,05 с) наближається до лазерного зварювання, усувається небезпека зменшення вмісту легуючих елементів при підвищенні щільності потужності випромінювання. У четвертому розділі приведений опис розробки методики експериментально-розрахункового визначення компонент НДС зварних деталей та створення лабораторного стенду для реалізації методики. Наведені результати розрахункового визначення параметрів залишкового НДС отриманих лазерним та лазерно-мікроплазмовим зварюванням з'єднань із високоміцного алюмінієвого сплаву 7005. Розроблений комбінований розрахунково-експериментальний метод визначення залишкових деформацій та напружень у зварному виробі за режимами зварювання із застосуванням методу кореляції стереоскопічних цифрових зображень (SDIC – Stereo Digital Image Correlation). Розроблений спосіб передбачає розбивку зварюваної конструкції на просторові примітиви із їх аналізом по мірі виконання зварювання. За його допомогою встановлено, що при лазерному зварюванні імітаторів виробів космічної галузі зі сплаву 7005 після виконання чотирьох діаметрально протилежних точкових прихваток залишкові переміщення торців виробу (41×41 мм) можуть сягати 0,02…0,05 мм, а після виконання безперервних кільцевих швів – зменшуватися до 0,01...0,02 мм. Величини залишкових напружень стиску у площині торців зварного виробу знаходяться в межах 50-60 МПа. При цьому в зоні шва напруження розтягу можуть доходити до 200 МПа, а в ЗТВ змінюватися від 70 до 150 МПа. Внесені попередньо виконаними точковими прихватками геометричні відхилення майже не впливають на рівень залишкових напружень. У п’ятому розділі представлені результати робіт із практичної реалізації розроблених технологій, створене обладнання для отримання і неруйнівного контролю високоточних тонкостінних зварних виробів з алюмінієвих сплавів космічного призначення. Для зварювання високоточних тонкостінних виробів космічної галузі з алюмінієвих сплавів із застосуванням лазерного джерела нагрівання були сконструйовані зварювальні головки. Розробка головок для лазерного і лазерномікроплазмового зварювання базувалася на виборі необхідних оптичних елементів за їх діаметрами і фокусною відстанню, а також визначення параметрів потоку плазмоутворюючого газу з урахуванням особливостей камери з контрольованою захисною атмосферою. До складу технологічного комплексу увійшов стенд для визначення компонент НДС готового виробу після зварювання. При розробці цього стенду були обрані необхідні цифрові фотокамери з високою роздільною здатністю, створена система базування закріпленого у складально-зварювальному оснащенні зварюваного виробу, а також необхідні алгоритми та програмне забезпечення для вимірювання переміщень окремих ділянок, визначення деформацій і супутніх розрахунків залишкових напружень. Розроблений технологічний процес герметизації високоточних тонкостінних виробів космічної галузі з легких сплавів лазерним зварюванням, що включає: підготовку поверхонь заготовок виробу до зварювання хімічним травленням лугом із подальшою нейтралізацією кислотою; складання деталей під зварювання; базування в складально-зварюваному оснащенні та зварювання виробу з одночасним контролем/керуванням температурою його нагрівання; визначення рівня переміщень, напружень, деформацій. Для реалізації даного технологічного процесу розроблений дослідно-промисловий комплекс обладнання, яке включає герметичну зварювальну камеру з системами кріплення, переміщення та зварювання заготовки, зварювальне джерело живлення з плазмовим модулем, систему управління, вакуумування, газопідготовки та очищення відпрацьованих газів, а також рукавичну камеру для ручного збирання деталей виробу під зварювання. У даному дослідно-промисловому комплексі був застосований волоконний лазер потужністю до 1,0 кВт.
  • ДокументВідкритий доступ
    Адитивне дугове наплавлення просторових виробів присадними дротами зі сталей та сплавів
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Лагодзінський, Іван Миколайович; Квасницький, Віктор Вячеславович
    Лагодзінський І.М. Адитивне дугове наплавлення просторових виробів присадними дротами зі сталей та сплавів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 13 – Механічна інженерія за спеціальністю 131 – Прикладна механіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Дисертаційна робота присвячена дослідженню впливу способів, технологічних параметрів режимів, складу захисного газового середовища та умов ведення процесу адитивного пошарового наплавлення з використанням тепла електричної дуги на формування просторових виробів при використанні присадних матеріалів у вигляді дроту суцільного перетину зі сталей та сплавів. У роботі досліджений вплив способів та технологічних параметрів процесу пошарового дугового наплавлення на формоутворення шарів, особливості формування структури та механічні властивості пошарово наплавленого металу, характер напружено-деформованого стану готових виробів складної геометричної форми. В роботі проведені чисельні експериментальні та розрахункові дослідження щодо визначення впливу процесів дугового пошарового синтезу на розподіл температур формування напружень та деформацій при виготовленні просторових зразків зі сплавів на основі міді та нікелю. На базі аналізу отриманих результатів розширені уявлення про вплив імпульсної подачі зварювального струму, методу «холодного перенесення металу» при дуговому наплавленні (СМТ процес), плазмового нагріву у комбінації з широкою номенклатурою зварювальних матеріалів у вигляді дроту на нерівномірність та геометричні характеристики сформованих адитивним дуговим наплавленням поверхонь та схильність до виникнення критичних дефектів. Виконані металографічні та механічні дослідження металу наплавлених шарів, проведений порівняльний аналіз результатів. Із застосуванням методу скінченних елементів визначені компоненти напружено-деформованого стану (НДС) отриманих адитивно наплавлених зразків, встановлені причини утворення критичних дефектів наплавленого металу, здійснена верифікація результатів розрахункових досліджень. Створені наукові та практичні засади застосування технологій адитивного синтезу для виготовлення та відновлення деталей зі сталей різних структурних класів, сплавів на основі міді, алюмінію та нікелю та обладнання для їх реалізації. Дисертаційна робота складається з шести розділів, у яких викладені та обґрунтовані основні результати дисертаційної роботи. У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, наведені мета та задачі дослідження, методи та методики їх проведення, сформульовані наукова новизна та практична цінність результатів досліджень. У першому розділі проведений літературний аналіз сучасного стану адитивних WAAM технологій виготовлення просторових виробів. Проаналізовані існуючі технології генеративного виготовлення деталей та конструкцій, наявні засоби впливу на геометричні характеристики адитивно наплавлених виробів. Встановлено, що наведені в літературі відомості щодо впливу складу захисного газового середовища при дуговому адитивному наплавленні методами GMAWCMT, GMAW-Pulse та PAW-CW носять суперечливий характер, або недостатньо досліджені. Показано, що недостатньо досліджений напрям щодо особливостей застосування компактного матеріалу у вигляді дротів суцільного перетину або прутків для виготовлення та ремонту деталей із кремнієвих бронз та жароміцних нікелевих сплавів при застосуванні електричної дуги як джерела тепла. Розглянутий сучасний стан методів скінченно-елементного моделювання. Доведено, що застосування методів математичного моделювання із застосуванням сучасних програмних комплексів та комп’ютерного обладнання дозволяє здійснити прогнозування компонент напружено-деформованого стану адитивно наплавлених виробів складної просторової форми. За результатами аналізу наявних літературних відомостей сформульовані мета і завдання досліджень. У другому розділі наведені методики виконання експериментальних досліджень по визначенню геометричних характеристик адитивно наплавлених шарів, структури та фізико-механічних властивостей наплавленого металу, хімічний склад та властивості матеріалів, що використані для проведення досліджень. Представлений опис та характеристики лабораторного обладнання для наплавлення, досліджень структури та механічних властивостей, визначення термічних циклів адитивного дугового наплавлення, методики скінченноелементного аналізу формування компонент напружено-деформованого стану, верифікації отриманих розрахункових результатів. Запропоновані технологічні рекомендації та обране обладнання для виготовлення прутків з малопластичних матеріалів. У третьому розділі експериментально досліджений процес пошарового наплавлення низьковуглецевої сталі із застосуванням GMAW-CMT/Pulse методів у комбінації із захисними газовими сумішами на основі аргону з 2 та 18 % СО2 у своєму складі та PAW-CW адитивного наплавлення в середовищі аргону. На основі проведеного аналізу отриманих експериментальних даних встановлені закономірності впливу зміни складу газового середовища та методу подачі зварювального струму на формування та геометричні характеристики стінок виробів. Проведені експериментальні дослідження та встановлений вплив GMAWСМТ/Pulse методів наплавлення на геометричні характеристики виробів з алюмінієвих сплавів, аустенітних нержавіючих сталей та кремнієвих бронз. На основі аналізу та узагальнення експериментальних даних отримали подальший розвиток уявлення щодо впливу методів подачі зварювального струму на відхилення геометричної форми отриманих поверхонь стінок виробів у процесі адитивного синтезу. На основі проведених експериментальних досліджень доведена можливість отримання просторових виробів плазмово-дуговим способом наплавлення зі застосуванням в якості присадного матеріалу прутків жароміцного нікелевого сплаву, які виготовлені за запропонованою автором методикою. Четвертий розділ присвячений дослідженню впливу умов GMAWCMT/Pulse методів наплавлення та зміни захисного газового середовища на формування структури і механічні властивості металу отриманих зразків із низьковуглецевої сталі, а також методу подачі зварювального струму (GMAWCMT/Pulse) при використанні кремнієвих бронз. Встановлені закономірності формування структури, виникнення дефектів, характеру розподілу мікротвердості в наплавленому металі за багаторазового нагріву при адитивному формуванні металу просторових виробів. Досліджений характер руйнування і показники фізико-механічних властивостей адитивно наплавлених зразків з низьковуглецеої сталі. Проведений порівняльний аналіз мікроструктур та даних механічних випробувань при наплавленні низьковуглецевих сталей та сплаву на основі нікелю. У п’ятому розділі побудовані розрахункові скінченно-елементні моделі, здійснене комп’ютерне моделювання та проведений аналіз результатів скінченноелементного моделювання компонент напружено-деформованого стану просторових виробів при адитивному дуговому наплавленні кремнієвої бронзи та жароміцного сплаву на основі нікелю у вигляді компактного присадного матеріалу. Розроблена скінченно-елементна модель для розрахунків компонент напружено-деформованого стану адитивно наплавлених виробів складного геометричного перерізу. Встановлено, що причиною виникнення дефектів – тріщин при використанні кремнієвої бронзи та GMAW/GMAW-Pulse методів наплавлення є формування напружень розтягу, що перевищують границю міцності металу в області високих температур при багаторазових циклах нагріву та охолодження металу в процесі адитивного наплавлення. Досліджені термодеформаційні процеси при пошаровому плазмоводуговому наплавленні жароміцного нікелевого припою SBM-4 у комбінації з двома варіантами основ для наплавлення. З метою підтвердження адекватності результатів попередніх розрахунків та можливості її подальшого застосування здійснена верифікація розробленої скінченно-елементної моделі та результатів комп’ютерного моделювання шляхом порівняння їх збіжності з отриманими експериментальними даними. У шостому розділі сформульовані технологічні рекомендації щодо процесу пошарового адитивного виготовлення просторових виробів з використанням тепла електричної дуги як джерела нагріву та компактного (дроти та прутки суцільного перетину) присадного матеріалу. Запропонована методика визначення технологічних втрат металу в процесі фінішної механічної обробки виготовлених різними способами дугового адитивного наплавлення просторових виробів. Спроектована та створена компьютерізована установка для адитивного дугового наплавлення виробів з числовим програмним керуванням на основі Gкодів. Наведені приклади виготовлених за сформульованими автором технічними рекомендаціями адитивно наплавлених виробів складної просторової форми.
  • ДокументВідкритий доступ
    Збагачення даних для прогнозування властивостей метаматеріалів
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Крисенко, Павло Ігорович; Королюк, Дмитро Володимирович
    Крисенко П. І. Збагачення даних для прогнозування властивостей метаматеріалів. Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 153 – Мікро- та наносистемна техніка (галузь знань 15 – Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Київ, 2024. Робота присвячена розробці методики збагачення кількості даних для покращення прогнозування коефіцієнта пропускання метаматеріалів на основі топологічної структури та складу, параметрів опромінення поверхні метаматеріалу, а також для покращення можливостей розв’язку оберненої задачі із застосуванням штучних нейронних мереж. У дисертаційній роботі досліджено науково-прикладні аспекти використання згорткових нейронних мереж для розв'язання задач у галузі проектування та прогнозування властивостей метаматеріалів та можливість задання параметрів опромінення поверхні метаматеріалу для збільшення кількості доступних даних У сучасних дослідженнях у галузі науки та техніки глибоке навчання, зокрема застосування згорткових нейронних мереж, виявляється дієвим засобом розробки ефективних методів аналізу та прогнозування властивостей метаматеріалів у контексті їх дизайну. Цей підхід відзначається своєю легкістю в реалізації, доступністю відповідних даних, а також високою швидкістю обчислень порівняно з традиційними методами, що базуються на фізичних законах. Розуміється, що нейронні мережі є складними в реалізації та мають свої обмеження, такі як потреба у великій кількості даних, складність оптимізації та постановки завдань. Проте, з розвитком глибокого навчання, ці обмеження поступово зменшуються, забезпечуючи більший доступ до цього підходу. Використання нейронних мереж у дизайні метаматеріалів передбачає їх застосування для знаходження матеріалів та топології метаматеріалів за заданими характеристиками. Цей процес починається з навчання нейронних мереж на основі великої кількості вхідних даних, які включають параметри метаматеріалу, такі як розмір, форма та склад, і бажані властивості, такі як поглинання, відбивання та пропускання світла. Після завершення навчання нейронна мережа може використовуватися для прогнозування властивостей метаматеріалів на основі нових вхідних даних, тобто передбачати, як метаматеріал відреагує на нові електромагнітні хвилі. Завдяки нейронним мережам можна автоматизувати та оптимізувати процес дизайну метаматеріалів, шукати складні залежності між параметрами матеріалу та функціональним відгуком, що є важко досяжним для традиційних методів. Важливо також відзначити можливість аналізувати дані про склад та структуру метаматеріалів та використовувати їх для передбачення електромагнітних властивостей. У цьому дослідженні використовувалися сучасні знання та підходи до згорткових нейронних мереж для створення оптимальної архітектури нейронної мережі. Для отримання інформації про метаматеріали були використані дані з топологією та складом цих матеріалів. Застосовувалися програмні середовища для розробки цифрового коду та побудови 3D об'єктів метаматеріалів з визначеними властивостями. Важливим аспектом була можливість прогнозувати коефіцієнт пропускання на основі інформації про структуру та склад метаматеріалів. Зокрема, була проведена конвертація даних з формату ".ply" у формат ".xyzrgb" за допомогою програмного пакета Open3D на базі Python. Цей формат містив важливі дані, які можна було використовувати для навчання нейронних мереж. Показано важливі вимоги до даних, такі як однорідність та масштабованість. Розроблено алгоритм для прогнозування властивостей метаматеріалів на основі їх структури та складу та умов експериментальних досліджень, використовуючи згорткову нейронну мережу, та методи кодування додаткової інформації в штучну нейронну мережу. Також був розроблений метод для ефективного зберігання інформації про склад метаматеріалів, що дозволяє передбачати їхні електромагнітні властивості. Обговорено різні цифрові формати, які можна використовувати для зберігання необхідних даних про метаматеріали. Також досліджено способи представлення властивостей метаматеріалів у вигляді, зручному для навчання згорткової нейронної мережі. Проведено порівняльний аналіз ефективності різних методів, вказавши, що представлення характеристик у вигляді коефіцієнтів полінома, хоча швидше, не є найкращим для прогнозування характеристик метаматеріалів. Проаналізовано формати збереження інформації про 3D структури. В цій роботі досліджено, що такі формати, як «.3ds» ,«.obj», «.fbx», «.stl», не підходять, через такі недоліки: відсутність швидкого та простого програмного забезпечення (для ефективного конвертування структур метаматеріалів у формат для навчання штучної нейронної мережі); неможливість зберігання додаткової інформації у канали про структурний склад метаматеріалів; неможливість видалення проприєтарної інформації яка кодується та змішується з потрібними для навчання даними. Розроблено конвеєр навчання тривимірної згорткової нейронної мережі для прогнозування частотних електромагнітних характеристик метаматеріалів на основі структури та складу метаматеріалів та можливістю встановлення інформації про умови експериментальних досліджень. Показані результати прогнозування для різних вибірок даних поділених по масштабу частоти опромінення, з урахуванням інформації о умовах експериментальних досліджень. Був виконаний аналіз результата навчання та прогнозування. Було запропоновано шляхи покращення якості прогнозування шляхом збільшення вибірки даних для навчання та використання сучасних відходів у глибокому навчанні. Також було запропоновано шляхи вирішення зворотної задачі для генерації структури за заданими параметрами.
  • ДокументВідкритий доступ
    Вдосконалення ротаційного методу вимірювання напруженості електростатичного поля
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Повшенко, Олександр Анатолійович; Баженов, Віктор Григорович
    Повшенко О.А. Вдосконалення ротаційного методу вимірювання напруженості електростатичного поля. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 152 - Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка (15 - Автоматизація та приладобудування). – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Київ, 2024. Дисертаційна робота присвячена вдосконаленню ротаційного методу вимірювання напруженості електростатичного поля у вимірювальному діапазоні до 1 кВ/м за рахунок підвищення його точності, чутливості та збільшення динамічного діапазону. Основна частина дисертаційної роботи складається з чотирьох розділів, які присвячені дослідженню шляхів вдосконалення ротаційного методу вимірювання напруженості електростатичного поля та розробці вдосконаленої ІВС. Перший розділ присвячено огляду стану проблеми та обґрунтуванню напрямку досліджень дисертаційної роботи. Розглянуто характеристику електростатичного поля, як фізичного явища та приведено його основні величини. Сформульовано загальну задачу та підходи до вимірювання напруженості електростатичного поля (ЕП) для різних задач. Особливу увагу було приділено розгляду особливостей та обґрунтуванню підходів до вимірювання напруженості атмосферного електростатичного поля, для задач геофізики та геології, а також при проведенні моніторингу електростатики на виробництві. Обґрунтовано вимоги до апаратного забезпечення для вимірювання напруженості ЕП з підвищеною точністю у низькому вимірювальному діапазоні до 1 кВ/м. Обґрунтовано вибір ротаційного методу вимірювання напруженості електростатичного поля. Розглянуто основні сучасні засоби вимірювання напруженості ЕП такі як електрометри та електростатичні флюксиметри. Обґрунтовано їх переваги та недоліки для вимірювання напруженості ЕП з підвищеною точністю у низькому вимірювальному діапазоні до 1 кВ/м. Показано основні тенденції розвитку засобів вимірювання напруженості електростатичного поля. Проведено аналіз попередніх робіт за темою дослідження та обґрунтовано мету і завдання даних напрямів дослідження. Другий розділ дисертаційної роботи присвячено математичному та комп’ютерному моделюванню сенсору електростатичного флюксметру (ЕФ). Розглянуто будову та фізичний принцип роботи сенсора ЕФ, обґрунтовано вимоги до його математичної моделі. Проведено аналіз типового рівняння перетворення напруженості електростатичного поля в струм, яким описується робота сенсора ЕФ та визначено його недосконалості. Встановлено шляхи підвищення чутливості сенсора ЕФ. Запропоновано та обґрунтовано вдосконалене рівняння перетворення, з врахуванням обмежень та недосконалостей, які присутні у типовому рівнянні перетворення. Для порівняння вдосконаленої математичної моделі сенсора ЕФ з типовою, було проведено комп’ютерне моделювання розподілу ЕП між чутливими та екрануючими пластинами сенсора ЕФ і встановлено чисельні значення індукованого на сенсорній пластині заряду та розраховано значення індукованого струму. Побудова та розрахунок моделі сенсора ЕФ відбувалась за допомогою програмного забезпечення COMSOL Multiphysics, а обробка результатів моделювання за допомогою програми Matlab. В якості імітаційної моделі використано сенсор ЕФ з двома групами чутливих пластин. Показано отримані форми сигналу індукованого заряду та розрахованих значень індукованого струму на чутливій пластині в залежності від кута повороту екрануючого ротора. Встановлено, що форма сигналу, отримана за допомогою вдосконаленого рівняння перетворення краще відповідає реальному сигналу, порівняно з типовим. Наступна частина дослідження була направлена на встановлення оптимальної конфігурації та будови сенсора ЕФ: визначення значення оптимальної відстані між чутливими пластинами та екрануючою пластиною; визначення значення раціональної кількості секторів. Представлено методики, хід та результати комп’ютерного моделювання сенсора ЕФ. Показано графіки зміни індукованого електричного заряду та індукованого струму в залежності від параметрів конфігурації та будови сенсора ЕФ. Показано графіки розподілу відносної похибки амплітудного значення індукованого струму в залежності від відстані між чутливими пластинами та екрануючою пластиною. Встановлено відношення чутливості сенсора ЕФ з різною кількістю лопаток до конфігурації з двома лопатками. Запропоновано та обґрунтовано новий підхід до розрахунку коефіцієнтів пропорційності чутливості сенсора ЕФ від його конфігурації та будови та встановлено їх числові значення. Представлено методику розрахунку невизначеності рівняння вимірювання. Проведено аналіз чутливості рівнянь перетворення напруженості електростатичного поля в струм. Для порівняння типового та вдосконаленого рівнянь перетворення розраховано їх коефіцієнти чутливості та бюджет невизначеностей. Проведено розрахунок невизначеності вимірювання вдосконаленої математичної моделі сенсора ЕФ. Третій розділі дисертаційної роботи присвячено розробленню вдосконаленої інформаційно-вимірювальної системи напруженості електростатичного поля. Запропоновано та обґрунтовано узагальнену структурну схему ІВС напруженості ЕП. Представлено еквівалентну схему сенсора ЕФ, електричну схему перетворювача струму у напругу, електричну схему смугового фільтра, схему диференційного трансімпедансного підсилювача та схему підсилювача з керованим коефіцієнтом підсилення для розроблення вдосконаленої ІВС напруженості ЕП. Для вдосконалення схеми перетворення струму в напругу запропоновано та обґрунтовано схему незаземленого диференціального трансімпедансного підсилювача з нульовим падінням напруги. Встановлено критерії вибору оптимальних операційних підсилювачів для побудови схем трансімпедансних підсилювачів та проведено їх аналіз. Проведено комп’ютерні моделювання параметрів шумів схем в частотному діапазоні та фактичного коефіцієнта підсилення для типової та запропонованої схем диференціальних трансімпедансних підсилювачів. Запропоновано та обґрунтовано методологію розрахунку інструментальної похибки вимірювання аналогового каскаду ЕФ та проаналізовано вплив похибки квантування на загальний результат вимірювання напруженості ЕП. Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячено експериментальному дослідженню вдосконаленого електростатичного флюксиметру. Запропоновано та обґрунтовано алгоритм цифрової обробки вимірювальної інформації отриманих з сенсору вдосконаленого ЕФ, у результат каліброваного вимірювання напруженості ЕП. Представлено структуру алгоритму та обґрунтовано його основні етапи: алгоритм передискретизації, цифрову фільтрацію, обробку результатів вимірювання, амплітудного аналізатору розмаху сигналу, збереження та передачу інформації. Розроблено методичне, алгоритмічне та програмне забезпечення для проведення калібрування вдосконаленого ЕФ. Запропоновано та обґрунтовано алгоритм калібрування аналогового контуру електростатичного флюксиметру та сенсору електростатичного флюксиметру. Сконструйовано еталонний стенд для проведення калібрування сенсору. Розроблено методики проведення експериментального дослідження похибок вимірювання вдосконаленого електростатичного флюксиметру. Представлено результати проведеного експерименту. Усі результати, що виносяться на захист, є новими. Вони неодноразово обговорювалися на міжнародних конференціях. За матеріалами дисертації опубліковано 5 статей, 3 тези конференцій які повною мірою відображають її зміст.